Experimental analysis and predictive modeling of the tensile and flexural strength of FDM-printed PLA for clinical devices

Immaginate un mondo in cui gli strumenti che i medici usano per guarire non sono prodotti in serie nelle fabbriche, ma sono realizzati uno per uno, modellati perfettamente sulla forma unica del corpo di un paziente. Questa è la promessa della produzione additiva, spesso chiamata stampa 3D. A differenza dei metodi tradizionali che scavano via il materiale da un blocco solido, questa tecnologia costruisce oggetti strato dopo strato, come impilare sottili fette di pasta finché non prende forma una pagnotta. Uno dei materiali più popolari per questo processo è una plastica derivata dall'amido di mais o dalla canna da zucchero, nota come acido polilattico, o PLA. È favorita perché è sicura per il corpo umano, si decompone naturalmente nel tempo ed è relativamente facile da stampare. Tuttavia, affinché questi oggetti stampati possano essere utilizzati come dispositivi medici, come guide chirurgiche o impianti personalizzati, devono essere abbastanza resistenti da sopportare le forze del corpo umano senza spezzarsi o piegarsi. La sfida risiede nel fatto che il modo in cui una stampante 3D deposita questa plastica crea piccole debolezze all'interno del materiale, facendolo comportare diversamente a seconda della direzione in cui lo si tira o lo si spinge.

Un team di ricercatori dell'Università di Tunisi El Manar e dell'Università di Monastir si è posto l'obiettivo di risolvere questo enigma trattando il processo di stampa 3D come una ricetta precisa. Volevano capire esattamente come tre impostazioni specifiche — quanto è spesso ogni strato di plastica, quanto velocemente si muove la stampante e quanta plastica extra viene spinta attraverso l'ugello — cambino la resistenza dell'oggetto finale. Sebbene gli scienziati sappiano da tempo che lo spessore dello strato e la velocità siano importanti, la quantità di plastica spremuta, nota come rapporto di estrusione, è rimasta un mistero. I ricercatori sospettavano che spingere fuori leggermente più plastica rispetto all'impostazione standard della stampante potesse colmare i piccoli spazi tra gli strati, creando un pezzo più denso e resistente. Per testare questo, non si sono affidati alle congetture. Inveve, hanno stampato centinaia di piccoli pezzi di prova, ognuno con una diversa combinazione di queste tre impostazioni, e poi li hanno sottoposti a rigorosi test fisici. Hanno tirato i pezzi per misurarne la resistenza alla trazione, ovvero la forza necessaria per romperli, e li hanno piegati per misurare la resistenza alla flessione, ovvero quanto bene resistono a spezzarsi sotto pressione.

I risultati hanno rivelato una verità chiara e sorprendente su come questi pezzi stampati tengano insieme. I ricercatori hanno scoperto che la quantità di plastica spinta attraverso l'ugello era il fattore più importante nel determinare la resistenza. Quando hanno aumentato il rapporto di estrusione all'110 percento, il che significa che hanno spinto fuori il dieci percento di materiale in più rispetto all'impostazione standard, i vuoti interni e i piccoli fori all'interno della plastica sono quasi completamente scomparsi. Questo semplice aggiustamento ha trasformato il materiale, rendendolo significativamente più robusto. Hanno scoperto che i pezzi stampati sono naturalmente anisotropi, il che significa che sono più resistenti in alcune direzioni rispetto ad altre. Quando testati per la flessione, i pezzi potevano sopportare tra i 34 e i 51 megapascal di forza, ma quando venivano tirati direttamente, resistevano solo a 12 o 24 megapascal. Questa differenza accade perché gli strati sono fusi insieme all'esterno, ma possono separarsi più facilmente quando vengono tirati direttamente.

Per trovare il perfetto equilibrio per creare i dispositivi medici più resistenti possibili, il team ha utilizzato un approccio matematico per analizzare tutti i loro dati e prevedere l'impostazione ideale. Hanno determinato che la migliore combinazione per massimizzare sia la resistenza che la rigidità era utilizzare uno spessore dello strato di 0,20 millimetri, una velocità di stampa di 40 millimetri al secondo e quel cruciale rapporto di estrusione del 110 percento. Quando hanno testato queste impostazioni specifiche su nuovi campioni, i risultati del mondo reale hanno corrisposto alle loro previsioni con una precisione sorprendente, con errori piccoli come l'1,89 percento e non superiori al 6,32 percento. Questo livello di precisione conferma che controllando attentamente quanta quantità di materiale viene depositata, gli ingegneri possono eliminare i punti deboli che solitamente affliggono i pezzi stampati in 3D. Lo studio conclude che questo metodo ottimizzato fornisce una guida affidabile per la creazione di componenti in PLA ad alte prestazioni, offrendo una strada percorribile per la produzione di strumenti medici personalizzati, impianti e altri dispositivi che debbano essere sia leggeri che incredibilmente durevoli.