Nel panorama in continua evoluzione dei dispositivi medici, il silicone si conferma un materiale ampiamente utilizzato grazie alla sua biocompatibilità, stabilità chimica e versatilità meccanica.

Tuttavia, le tecnologie di produzione tradizionali iniziano a mostrare i loro limiti di fronte alle  esigenze di progettazione sempre più avanzate: l’integrazione fra elettronica, sensori e materiali termosensibili richiede processi che non compromettano l’integrità dei componenti durante la fase di produzione.

La polimerizzazione, fase cruciale per trasformare una mescola siliconica in un elastomero stabile,  avviene attraverso uno specifico processo attivato, nella produzione tradizionale HTV (High Temperature Vulcanizing), dal riscaldamento, con condizioni di temperatura e tempo che dipendono dalla formulazione e dalla tecnologia di trasformazione. Quando nel dispositivo sono  presenti componenti elettronici, sensori o materiali termosensibili, il ciclo termico può però rappresentare un vincolo progettuale, soprattutto nei sistemi multimateriale.

Per superare questi vincoli, l’industria sta guardando con crescente interesse alla reticolazione UV, detta anche a freddo, che abilita soluzioni progettuali finora impossibili. A differenza della vulcanizzazione, infatti, questa tecnologia utilizza una radiazione luminosa controllata per attivare la polimerizzazione a temperature molto inferiori. Questo cambio di paradigma non solo protegge le componenti sensibili, ma apre la strada a nuove frontiere come il co-stampaggio, l’integrazione multimateriale e l’assemblaggio di sistemi complessi senza il rischio di ritiri o espansioni dovuti al calore.

Sebbene l’HTV rimanga la tecnologia consolidata per numerose applicazioni, la reticolazione UV rappresenta un’innovativa possibilità di processo cui ricorrere quando il vincolo termico diventa rilevante per la progettazione del dispositivo.

Abbiamo approfondito questa tecnologia con Emanuele Samuele Berna di Silicone & Specialties per capire come l’uso della luce possa modificare i vincoli del processo termico e quali nuove possibilità possa offrire nella progettazione dei dispositivi medici.

 

Quali sono, nello specifico, i limiti della reticolazione tradizionale HTV nella produzione di dispositivi medici e come cambierebbe il processo con la reticolazione UV?

Il limite dell’HTV non è il processo termico in sé, che rimane una tecnologia consolidata per molti componenti in silicone, ma la temperatura necessaria per completare la reticolazione e il modo in cui il ciclo termico interagisce con il resto del dispositivo.

La reticolazione UVLa reticolazione UV segue un principio diverso: l’energia necessaria alla reazione viene fornita dalla  radiazione luminosa attraverso un sistema fotoiniziatore, evitando di portare l’intero componente alle temperature tipiche di un ciclo termico. Questo può ampliare le possibilità di integrazione multimateriale, rendere più semplice la gestione di componenti sensibili al calore e stabilizzare immediatamente la struttura del silicone.

Quando un componente integra elettronica, sensori, termoplastici o altri materiali sensibili alla temperatura, il ciclo termico può generare dilatazioni differenziali e deformazioni dovute al comportamento diverso dei materiali durante il riscaldamento. Quando, ad esempio, si co‑stampa un involucro in silicone attorno a una parte elettronica, la possibilità di reticolare senza sottoporre l’insieme a un ciclo termico ad alta temperatura permette di integrare componenti termosensibili senza comprometterne l’integrità.

Il processo HTV pone dei limiti anche quando sono richieste geometrie precise o microstrutture stabili. A titolo esemplificativo, nella produzione di un tubo in silicone medicale, uno dei vantaggi della reticolazione UV è la possibilità di mantenere la concentricità e la costanza dimensionale lungo tutto lo sviluppo del tubo. L’assenza del passaggio in forno evita le variazioni dimensionali che normalmente si generano quando la massa del silicone passa nel forno di vulcanizzazione dopo l’estrusione. La reticolazione UV stabilizza il tubo direttamente all’uscita della filiera, garantendo una geometria più costante e ripetibile.

La gomma siliconica UV può garantire prestazioni uguali o superiori a quella HTV?

Non esiste una risposta valida indipendentemente dall’applicazione. Una formulazione UV adeguatamente progettata può raggiungere proprietà meccaniche e funzionali compatibili con molte applicazioni biomedicali, ma il confronto con un HCR polimerizzato termicamente deve essere effettuato sulla base dei requisiti del componente: modulo, allungamento, resistenza alla lacerazione, compression set, stabilità dimensionale, prestazioni sotto stress, ecc.

Il vantaggio della reticolazione UV può quindi non essere una maggiore performance, ma la possibilità di ottenere la prestazione richiesta evitando il vincolo termico.Questo diventa interessante quando il componente deve integrarsi con altri materiali o mantenere una geometria particolarmente stabile. Per tubi, membrane, guarnizioni, lastre o articoli stampati, la scelta della tecnologia deve quindi partire dalla funzione del componente e non dal solo confronto tra valori di datasheet.

In che modo la reticolazione UV influisce sulla sostenibilità e sull’efficienza energetica del processo produttivo rispetto ai lunghi cicli termici del silicone HTV?

Il principale vantaggio della reticolazione UV deriva dal fatto che l’energia viene trasferita  direttamente alla reazione fotochimica, senza dover riscaldare l’intero sistema di processo come  avviene in un ciclo termico. Questo riduce il fabbisogno energetico associato al riscaldamento e al mantenimento della temperatura e, in determinate configurazioni produttive, permette anche una accorciamento della durata del ciclo produttivo.

Il vantaggio deve però essere valutato sul processo reale: sorgente UV, potenza installata, tempo di esposizione, produttività della linea e gestione termica devono essere considerati insieme. Nella produzione di un tubo in silicone platinico con diametro interno 2 mm e diametro esterno 4  mm, il risparmio energetico è significativo: il ciclo HTV completo richiede circa 130 kWh per 1.000 metri di tubo, mentre la reticolazione UV può scendere a circa 37 kWh, con una riduzione nell’ordine del 70%. Anche quando è previsto comunque un successivo processo di post‑curing, il fabbisogno rimane inferiore rispetto alla vulcanizzazione.

In che misura la fotonica, ossia la scienza che coinvolge la generazione, il controllo, la manipolazione e il rilevamento della luce, è coinvolta nello studio e nello sviluppo di questa tecnologia innovativa?

Nella reticolazione UV la luce non è un semplice attivatore, ma un vero parametro di processo, la fotonica interviene perché la formulazione del silicone deve essere correlata al sistema di irraggiamento: lunghezza d’onda, intensità, dose, tempo di esposizione e uniformità della radiazione determinano la qualità della reticolazione. La sorgente UV deve, inoltre, essere compatibile con il fotoiniziatore presente nella mescola, perché solo una corretta corrispondenza tra chimica e radiazione garantisce l’attivazione omogenea della reazione. La geometria del componente introduce ulteriori variabili fotoniche. Spessori differenti, zone schermate, cavità e variazioni di trasmittanza modificano la quantità di radiazione che raggiunge le diverse aree del materiale. Questo è particolarmente rilevante per componenti in silicone come tubi di piccolo diametro, membrane o lastre, dove la distribuzione della luce deve rimanere coerente anche quando la geometria non lo è.

In sintesi, la fotonica è parte integrante dello sviluppo della tecnologia UV: controllare la luce significa controllare una variabile ingegneristica essenziale del processo di reticolazione, con impatto diretto sulla stabilità dimensionale e sulla ripetibilità del componente. 

Quali sono oggi le principali sfide o i limiti che frenano una diffusione più ampia della reticolazione UV rispetto a quella HTV?

La reticolazione UV richiede una progettazione specifica del sistema formulazione‑sorgente. Il fotoiniziatore deve essere compatibile con la lunghezza d’onda e con la potenza disponibile, perché la reazione fotochimica dipende dalla quantità di radiazione effettivamente assorbita dal materiale. Non esiste quindi una combinazione “universale”: ogni applicazione necessita di un abbinamento dedicato tra mescola e sorgente UV.

Un secondo limite riguarda la geometria del componente. La luce deve raggiungere il materiale in modo uniforme, e spessori elevati, zone d’ombra, cavità o variazioni di trasmittanza possono ridurre la dose effettiva di radiazione. Questo è particolarmente rilevante per componenti in silicone con geometrie non uniformi, come profili o membrane, dove la distribuzione della luce non coincide sempre con la distribuzione della massa.

Esiste infine un vincolo economico: le aziende che operano con linee tradizionali devono, infatti, valutare investimenti significativi nelle sorgenti UV, nei sistemi di controllo della radiazione all’interno dei reparti produttivi e nella sicurezza per gli addetti. La transizione richiede, insomma, una revisione dei flussi produttivi e non è immediata.

Per questi motivi la reticolazione UV non sostituisce i processi HTV in modo generalizzato. È una tecnologia aggiuntiva, utile quando l’assenza del ciclo termico offre un vantaggio concreto per la progettazione del componente o per l’integrazione di materiali termosensibili.