L’utilizzo della stampa 3D come tecnica di formatura net-shape per i ceramici tecnici spalanca le porte all’applicazione di questi materiali anche in settori in cui gli elevati costi di fabbricazione ne pregiudicavano l’utilizzo. Le tecniche di AM più idonee per i ceramici tecnici densi sono la Stereolitografia (SLA) e la sua variante “Digital Light Processing” (DLP), in cui il componente è ottenuto per polimerizzazione di strati successivi di una resina fotopolimerica. Il Laboratorio ENEA-TEMAF di Faenza possiede il know-how necessario alla messa a punto di slurry fotopolimerici caricati con polveri ceramiche, a base di zirconia (ZrO2) e allumina (Al2O3) e loro compositi per la realizzazione di componenti prototipali per molteplici settori. ENEA-TEMAF dispone inoltre delle strumentazioni per la caratterizzazione e qualificazione di tali componenti.

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Laboratorio
Referenti
Giuseppe Magnani
Francesca Mazzanti
Area di specializzazione
Meccatronica e Materiali
Salute e Benessere
Keyword
STAMPA DLP
ADDITIVE MANUFACTURING
COMPONENTI DENTALI
MATERIALI CERAMICI
Componenti ceramici stampati mediante tecnologia DLP presso ENEA-TEMAF (struttura trabecolare e impianto dentale endosseo) e loro micrografia SEM
Descrizione prodotto

L’idea di “formare” i materiali ceramici mediante il principio di stampa 3D stereolitografico si basa sulla possibilità di caricare una resina liquida fotosensibile con polvere ceramica e di polimerizzare strati di resina contenente la polvere, mediante l’utilizzo di sorgenti laser (SLA) o tramite la luce di un proiettore (DLP). Il disegno CAD di un componente, viene trasformato in formato STL e rielaborato dal software di stampa, che ne consente la costruzione strato per strato (tecnica additiva). Lo strato colpito dalla luce si consolida, mentre il resto del materiale rimane fluido. Il piano di costruzione si solleva e consente la polimerizzazione dello strato successivo. Al termine del processo di stampa, l’oggetto solido viene estratto dal bagno di resina liquida e costituisce il “verde” ceramico, cioè un componente non ancora sinterizzato. Dopo successivi passaggi di post polimerizzazione con apposita lampada UV, e trattamento termico per eliminare la resina, il componente viene sinterizzato ad alta temperatura, come nel normale ciclo di produzione dei ceramici, per ottenere il prodotto finito che presenta già la forma finita, senza la necessità di impegnative e costose lavorazioni meccaniche. La stampa 3D di ceramici abbina pertanto all’elevata customizzazione del prodotto la possibilità di ottenere direttamente la forma voluta senza lavorazioni meccaniche aggiuntive, non produce scarti di lavorazione e si può applicare anche tramite tecnologie low cost.

Aspetti innovativi

La stampa 3D (Additive Manufacturing (AM)) risulta promettente sia in termini di produttività che di versatilità e costituisce una vera e propria rivoluzione nel settore dei materiali ceramici tecnici. Consentendo di «formare» componenti net-shape, apre le porte del mercato ai ceramici tecnici, fino ad oggi scarsamente impiegati in ambito industriale fondamentalmente a causa degli elevati costi di fabbricazione. L’AM di componenti ceramici si propone come una vincente metodologia di fabbricazione, conveniente sia dal punto di vista economico che della sostenibilità ambientale.

Applicazioni

La tecnica DLP consente di produrre componenti ceramici densi, con un elevato grado di dettaglio e finitura superficiale, che possono essere vantaggiosamente applicati nell’ambito biomedico (scaffold ossei) e nel settore della dental restoration metal free (perni endossei e corone dentali), in elettrotecnica e microelettronica (sensoristica), nell’ambito della orologeria, gioielleria e dei beni di lusso, nel settore della produzione di energia e aeronautico (per la produzione di anime per l’investment casting di pale di turbine).

Schema del processo di fabbricazione di un componente ceramico mediante stampa DLP e successivi trattamenti di post polimerizzazione, degasaggio e sinterizzazione e stampante DLP presso ENEA-TEMAF
Esempio di applicazione

Corona dentale ceramica

Descrizione applicazione e risultati

Tra le diverse applicazioni della tecnologia DLP per la stampa dei materiali ceramici, sicuramente una corona dentale in ceramico biocompatibile rappresenta un componente con le caratteristiche ottimali, in quanto dotato di spessori sottili e di una concavità che richiederebbe l’impiego di costose lavorazioni meccaniche se realizzato con tecniche tradizionali sottrattive. Mediante uno scanner intra orale viene acquisito il modello virtuale del dente da sostituire, che viene poi processato tramite un software in grado di fornire il file della protesi virtuale in formato STL. Questo viene utilizzato dal software della stampante 3D per realizzare i supporti per la fabbricazione del componente e lo slicing, cioè la scomposizione in strati di componente e supporti. Il componente viene quindi stampato utilizzando una resina fotosensibile caricata con polvere ceramica biocompatibile (es. a base Zirconia) e sottoposto a trattamenti di post-polimerizzazione e successivamente cicli termici di degasaggio per rimuovere la resina e poi di sinterizzazione per densificare il materiale. Questo processo è stato positivamente applicato presso il laboratorio ENEA-TEMAF dove è stata dimostrata la fattibilità di componenti protesici dentali ceramici utilizzando un’apposita miscela resina fotopolimerizzabile - polvere ceramica.

Partner coinvolti

Identitalia Group, partner dei Progetti AMACO e PRODE finanziati dalla Camera di Commercio di Ferrara nell’ambito del bando per Voucher Digitali I4.0.

Tempi di realizzazione
Materiale e prototipo sviluppati in circa 12 mesi.
Livello di maturità tecnologica
TRL 4 - tecnologia validata in laboratorio
Valorizzazione applicazione

Ad oggi vi sono pochissime resine commerciali già additivate di materiale ceramico, e lo sviluppo di questi slurry rappresenta la fase critica del processo di stampa. La collaborazione con altri enti di ricerca o universitari specializzati sui composti fotopolimerizzabili può aiutare all’ottimizzazione di innovative resine fotosensibili da caricare con la polvere ceramica.

Corone dentali ceramiche stampate tramite DLP da ENEA-TEMAF: file stl, componenti “verdi” e sinterizzati