In passato abbiamo prodotto alcuni materiali compositi molto interessanti che hanno riscosso un grande successo: abbiamo preparato materiali adatti all’uso meccanico, come il Prusament PC Blend Carbon Fiber e Prusament PA11 Carbon Fiber. Per compiere il passo successivo, abbiamo deciso di realizzare un filamento altamente avanzato caricato con metallo, pensato per un uso tecnico più che estetico: stiamo lanciando il Prusament PETG Tungsten 75%! Anche se questo materiale è stato progettato principalmente per un determinato gruppo di utenti, crediamo che il suo sviluppo possa incuriosire tutti gli appassionati di stampa 3D. Questo filamento ha molto da offrire: le sue proprietà non reattive, ipoallergeniche e non tossiche lo rendono ideale per varie applicazioni mediche. Inoltre, la sua alta densità è ideale per la creazione di complessi componenti di schermatura dalle radiazioni in modo più semplice e veloce rispetto ai metodi convenzionali. Cerchiamo di approfondire l’argomento.

Tungsteno, noto anche come wolframio (simbolo chimico W, numero atomico 74), è uno dei metalli più pesanti della tavola periodica. Con la sua densità di circa 19 grammi per centimetro cubo, è paragonabile a quella dell’oro ed è circa 1,7 volte più denso di quella del piombo  (simbolo chimico Pb, numero atomico 82). Grazie al suo numero atomico, il tungsteno può essere utilizzato in diverse applicazioni come materiale per la schermatura dei raggi X e dei raggi gamma. È un elemento per lo più non reattivo che non reagisce con l’acqua, l’ossigeno o l’aria a temperatura ambiente. A differenza del piombo, il tungsteno è ipoallergenico e non tossico, il che lo rende perfettamente adatto alle applicazioni mediche.

I materiali con una così alta densità sono in genere parecchio difficili da lavorare, possono risultare molto costosi, e potrebbero anche essere tossici. Le proprietà intrinseche di questi materiali rendono indesiderabili i metodi di produzione classici. La produzione additiva offre la possibilità di creare più facilmente componenti di schermatura complessi/individualizzati e talvolta a costi ridotti.

Schermatura dalle radiazioni e proprietà meccaniche

Il Prusament PETG Tungsten 75% è caricato con polvere di tungsteno (75% in massa), quindi ovviamente non ha le stesse proprietà schermanti del tungsteno puro. Abbiamo realizzato la seguente tabella per chiarire le proprietà schermanti del Prusament PETG Tungsten 75% crispetto al piombo e al tungsteno puri. Per comprendere la tabella, è necessario spiegare alcuni termini di base utilizzati nel settore della schermatura dalle radiazioni:

Densità (g*cm^-3): Quando si valutano le opzioni per la schermatura dalle radiazioni, le caratteristiche più importanti sono il numero atomico e la densità del materiale. Il piombo e il tungsteno sono i materiali più comuni per schermare i raggi X e le radiazioni gamma, per questo motivo confrontiamo questi due metalli (puri) con il nuovo Prusament.

Coefficiente di attenuazione lineare (µ): È una costante che descrive la frazione di fotoni incidenti attenuati in un fascio monoenergetico per unità di spessore di un materiale. Più alto è il coefficiente di attenuazione lineare, maggiore è la capacità di attenuazione della sostanza, che rappresenta un materiale schermante più adatto.

Strato emivalente – HVL (mm): Nelle caratteristiche della schermatura dalle radiazioni, lo strato emivalente (HVL) è un parametro importante di cui parlare. Rappresenta lo spessore del materiale al quale l’intensità della radiazione che lo attraversa si riduce della metà. Per l’energia dei raggi gamma più comunemente utilizzata nell’imaging della medicina nucleare (140 keV, ^99mTc) il piombo puro ha un HVL di 0,256 mm, mentre il tungsteno ha un HVL di 0,191 mm. In altre parole: è necessario meno tungsteno che piombo per ottenere risultati di schermatura simili.

Confronto delle proprietà di schermatura delle radiazioni tra Prusament PETG Tungsten 75% e i comuni materiali di schermatura. Il coefficiente di attenuazione lineare del piombo puro e del tungsteno puro è stato calcolato utilizzando il database physics.nist.gov e i valori in questo articolo.

I risultati riportati nella tabella (densità, μ e HVL) sono teorici per il piombo puro e il tungsteno puro. La densità del Prusament PETG Tungsten 75% (4 g*cm^-3) è stato calcolato in base alla massa e alle dimensioni del filamento. Il suo μ deriva dalla serie di misure di attenuazione condotte dall’ing. Jaroslav Ptáček, ricercatore presso il dipartimento di Fisica Medica e Radioprotezione dell’ Olomouc Hospital. Il valore HVL è stato quindi facilmente calcolato dai dati sperimentali.

Apparecchiatura di prova Prusament PETG Tungsten 75%. L’emettitore radioattivo non compare in questa foto.

Metodo di misurazione

Tutte le misurazioni sono state eseguite con Tecnezio metastabile (^99mTc). Durante le misurazioni dell’attenuazione, il campione di un certo spessore di Prusament PETG Tungsten 75% è stato irradiato da una sorgente di radioisotopo ^99mTc. L’attenuazione di un particolare campione è stata stabilita utilizzando la geometria del fascio stretto. Nella diagnostica di medicina nucleare, è il radioisotopo medico più comunemente utilizzato. Utilizzato come tracciante radioattivo, emette raggi gamma rilevabili con un’energia di 140 keV.

Alcuni dei campioni di Prusament PETG Tungsten 75% testati. 

Gli oggetti di prova sono stati stampati in 3D con Prusament PETG Tungsten 75%, con i seguenti spessori: 0,1; 0,2; 0,3; 0,5; 1; 1,5; 2; e 3 mm. Le misure sono state effettuate perpendicolarmente alla superficie del campione. Dopo aver effettuato le misurazioni, abbiamo calcolato l’HVL (si vedano i risultati qui sotto).

Inserimento del tecnezio metastabile (^99mTc) all’interno dell’apparecchiatura di prova.

Risultati delle misurazioni di attenuazione. L’asse Y mostra la quantità di radiazione gamma che attraversa il campione testato, mentre l’asse X rappresenta lo spessore del campione. L’HVL calcolato per Prusament PETG Tungsten 75% è di 1,402 mm (segno arancione). A titolo di confronto, l’HVL del piombo puro è di 0,256 mm, quello del tungsteno puro di 0,191 mm.

È possibile stampare il Prusament PETG tungsten 75% usando un ugello da 0.4 mm senza il rischio di intasamenti, che spesso si verificano durante la stampa di filamenti caricati con metallo. Abbiamo combinato la polvere fine di tungsteno con PETG per via della sua buona stampabilità, la resistenza alle radiazioni e alle sostanze chimiche (ad esempio varie soluzioni di disinfezione). Le proprietà meccaniche e di schermatura dalle radiazioni sono riportate nella nostra scheda tecnica, ma qui di seguito sono riportati i parametri più importanti:

• Proprietà schermanti del tungsteno puro: HVL di 0.191 mm (^99mTc, 140 keV)
• Proprietà schermanti del Prusament PETG Tungsten 75%:HVL di 1.402 mm (^99mTc, 140 keV)*
• Polimero legante: PETG
• Contenuto di tungsteno: 75% in massa
• Resistenza all’urto Charpy: 22 kJ/m²
• Resistenza alla trazione: 39 MPa
• Durezza Shore: 79D
• HDT: per 0.45 MPa 94.2 °C; per 1.80 MPa 86.0 °C
• Necessario un ugello temprato: Si

*Come osservato durante i test sui materiali, sono molti i fattori che influenzano i risultati complessivi, come le condizioni della stampante 3D, lo slicing, ecc. Pertanto, le proprietà di schermatura delle vostre stampe potrebbero differire leggermente.

Si noti che il profilo di stampa Prusament PETG Tungsten 75% non è incluso in PrusaSlicer; scaricare il Config bundle (MK3S+) da qui. Se occorre un profilo di stampa per un’altra stampante 3D Original Prusa, contattate il nostro supporto e saremo lieti di aiutarvi.

Come funziona in pratica?

Abbiamo cercato di realizzare una prova pratica con un apparecchio di schermatura per siringhe utilizzati con radiofarmaci di medicina nucleare. Abbiamo utilizzato il Prusament PETG Tungsten 75% per la stampa di una componente con una schermatura di circa 8 cm di spessore, che è pari a 5,7 HVL (basato su ^99mTc). Questa apparecchiatura è stata progettata specificamente per il sistema di infusione di radiofarmaci utilizzato nei laboratori del Olomouc Hospital. Con la nostra parte stampata in 3D, il personale dell’ospedale può scegliere tra più schermature per siringhe.

Schermatura stampata con Prusament PETG Tungsten 75%

Anche se la schermatura stampata in 3D era significativamente più spessa di quella di tungsteno puro, che viene utilizzata a livello commerciale, la scelta di usare la stampa 3D è significativamente più veloce (considerando l’ordine, il trasporto, ecc.). In alcuni casi, ordinare i pezzi di ricambio potrebbe essere troppo complicato e il Prusament PETG Tungsten 75% potrebbe aiutare a creare un sostituto adeguato. Ciò mostra un grande potenziale in varie riparazioni e migliorie rapide degli strumenti radiologici. Infine, in alcune parti, la produzione additiva può far risparmiare non solo tempo ma anche denaro.

Prezzo, colore e peso

Di solito produciamo filamenti in vari colori per motivi estetici. Tuttavia, i materiali tecnici, in particolare quelli caricati con metalli e carbonio, sono generalmente colorati dalla polvere sottile all’interno del polimero. Per questo motivo il nostro filamento con tungsteno è colorato solo in grigio scuro metallizzato. La bobina standard contiene 1 kg di materiale, che equivale a 100 m di filamento. Ma a parte quello, offriamo anche campioni da 100g contenenti circa 10m di filamento. Si noti che, a causa dell’elevata quantità di tungsteno, il volume complessivo del materiale è decisamente inferiore. Il prezzo per 1 kg di materiale è di 229 USD / 249 EUR (IVA incl.), mentre il campione da 100g costa 23.99 USD / 25.99 EUR (IVA incl.).

Calibrate la vostra stampante con il nostro strumento prima di stampare pezzi grandi e pesanti

Tenete presente che la stampante deve essere nelle migliori condizioni possibili. Eventuali intasamenti o altri difetti comportano un deterioramento delle proprietà di schermatura dalle radiazioni. Anche se non possiamo garantire che otterrete esattamente gli stessi valori riscontrati nei nostri test, possiamo aiutarvi a ottenere i migliori risultati possibili. Per questo abbiamo progettato questo blocco di calibrazione che una volta stampato dovrebbe pesare almeno 5.4g,. Si consiglia di stamparlo e pesarlo prima di iniziare a creare pezzi grandi e pesanti. In questo modo è possibile capire se la stampante è nelle migliori condizioni necessarie per una stampa efficace con Prusament PETG Tungsten 75%. Se si notano difetti sul blocco o se il peso è significativamente inferiore a 5,4 g, si raccomanda di pulire accuratamente la stampante e di ripetere la procedura. In fine, si consiglia di testare le stampe per scoprire l’esatto HVL, proprio come abbiamo fatto con il tecnezio metastabile.

Un confronto tra due blocchi stampati in 3D, quello di sinistra indica una stampante ben calibrata, quello a destra evidenzia una sotto-estrusione (possibilmente un ugello parzialmente intasato).

Applicazioni tipiche

Per quanto riguarda il miglior utilizzo, abbiamo progettato il Prusament PETG Tungsten 75% in parte per applicazioni mediche (ad esempio in radiologia), ma ci rivolgiamo all’intero settore della schermatura dalle radiazioni. I filamenti per la schermatura dalle radiazioni possono essere utilizzati in diversi settori. Ad esempio, l’industria aerospaziale, l’industria dell’energia nucleare, i test non distruttivi, i dispositivi di imaging a raggi X, ecc. Siamo consapevoli che il Prusament PETG Tungsten 75% non è stato progettato per la comunità di stampa 3D nel suo complesso, ma piuttosto per la ricerca specializzata e l’uso ingegneristico di alto livello. Crediamo che presto vedremo molti fantastici componenti di schermatura progettati e stampati da voi. Se avete qualche idea che possa coinvolgere la nostra cooperazione, fatecelo sapere. Siamo sempre entusiasti di provare qualcosa di nuovo!

Esempi d’uso

Schermatura dei radiofarmaci	Schermatura dei radiofarmaci (completamente smontato)
Strumento di test per apparecchiature di radiologia diagnostica (Il fondo quadrato è stampato con Prusament PETG puro)	Strumento di test per apparecchiature di radiologia diagnostica fotografate ai raggi X (I cerchi concentrici sono stampati con Prusament PETG Tungsten 75%, il quadrato chiaro è il PETG puro)
Collimatori personalizzati per gamma camera	Copertura di schermatura personalizzata (Per l’uso in sale di imaging a raggi X)