La stampa 3D incorporata imita la natura, aprendo nuove possibilità per i semiconduttori

I produttori hanno migliorato i loro metodi di stampa 3D incorporata negli ultimi 5 anni. Tuttavia, rimane una limitazione che nessuno è riuscito a eliminare: la capacità di stampare rapidamente strutture ultra-sottili, come quelle presenti in natura. Grazie alle loro caratteristiche microscopiche, queste strutture possono essere costruite incredibilmente forti e resilienti, rendendole ideali per le applicazioni ad alte prestazioni di oggi.

Fortunatamente, un team innovativo di ricercatori potrebbe aver scoperto un nuovo metodo di stampa 3D che imita la natura, aprendo la porta a una serie di nuovi utilizzi, potenzialmente includendo la creazione di semiconduttori incorporati. Ecco cosa c’è da sapere.

Imitare la natura

La natura utilizza molte strutture fibrose sottili, come i peli o i sottili vasi sanguigni che consentono ai muscoli di ricevere ossigeno attraverso il flusso sanguigno. Per alcuni animali, questi peli sottili possono fungere da sensori sotto forma di vibrisse. In altre specie, come i ragni, possono essere usati come trappola o come modo per costruire una casa.

Le lucertole e molti altri animali usano caratteristiche simili a peli per scalare pareti verticali. Ci sono anche casi in cui strutture sottili simili a peli sono usate come meccanismo di difesa. L’anguilla di mare (hagfish) espelle un gel fibroso sui predatori, coprendo le loro branchie e occhi, soffocando e accecandoli.

Gli ingegneri hanno da tempo desiderato replicare molte di queste occorrenze naturali, ma le limitazioni dei processi di produzione odierni lo hanno reso impossibile. Recenti progressi nella tecnologia di stampa 3D incorporata ad alta risoluzione hanno aiutato a risolvere alcuni problemi, ma ne rimangono molti. Ora, un nuovo metodo di stampa 3D promette di fornire i pezzi mancanti del puzzle, consentendo una nuova ondata di strutture di design ultra-fini.

Metodi tradizionali di stampa 3D

La stampa 3D tradizionale utilizza un ugello e un solvente che vengono estrusi strato per strato in un ambiente aperto. Il materiale viene poi asciugato mediante tempo, calore o addirittura laser. I recenti progressi hanno consentito alla stampa 3D tradizionale di produrre estrusioni più sottili, ma manca ancora molto in termini di duplicare la natura.

Svantaggi

I principali svantaggi dei metodi di stampa 3D tradizionali includono problemi come l’orientamento complessivo della stampa. La stampa deve essere posizionata in modo che ogni strato possa supportare quello successivo. In molti casi, è necessario aggiungere e rimuovere strutture di supporto dopo che la stampa si asciuga, aumentando il carico di lavoro e il tempo complessivo.

La sottigliezza delle stampe sottili simili a peli che gli ingegneri cercano di creare si è dimostrata impossibile da riprodurre in aria aperta. L’integrità strutturale, la gravità e altre forze fanno cedere i supporti micro-sottili. Una soluzione è stampare in una sostanza anziché nell’aria.

Stampa 3D incorporata

La stampa 3D incorporata utilizza un altro mezzo che aiuta a fornire supporto alla struttura durante la sua solidificazione e indurimento. I sistemi di stampa incorporata possono utilizzare idrogel che consentono all’ugello di muoversi liberamente ma mantengono la stampa in posizione mentre si asciuga. Questo approccio risolve i problemi legati alla deformazione indotta dalla gravità delle strutture stampate durante la scrittura diretta dell’inchiostro.

La stampa 3D incorporata presenta alcuni vantaggi aggiuntivi. In primo luogo, la miscela di idrogel è riutilizzabile, il che significa che le stampanti non devono acquistare nuovo materiale per ogni stampa. Possono anche utilizzare una varietà di filamenti diversi per creare strutture complesse, poiché il processo fornisce supporto durante la fase di indurimento.

Svantaggi della stampa 3D incorporata

Questo metodo di stampa 3D incorporata si è dimostrato più efficace nella stampa di alcuni progetti e di estrusioni più sottili, come le molle elicoidali. Tuttavia, la sua capacità di stampare fibre simili a quelle naturali rimane limitata dalla rottura del filamento a causa della capillarità. I test mostrano che qualsiasi diametro inferiore a sedici micron è fuori dalla portata dei metodi attuali di stampa 3D incorporata a causa della rottura del filamento per tensione superficiale.

Studio sulla stampa 3D incorporata

Ispirato dalla natura, un gruppo di ingegneri dell’Università Dankook in Corea del Sud e altri hanno introdotto un nuovo metodo di stampa 3D incorporata che prende spunto dalla madre natura. Questo approccio bio‑ispirato è stato pubblicato sulla rivista Nature Communications come lo studio “Stampa 3D rapida di fibre fini, continue e morbide tramite scambio di solvente incorporato.” Approfondisce una stampa rapida, a più ugelli, chiamata 3DPX (stampa 3D mediante scambio di solvente).

Gel non newtoniano

Il metodo 3DPX combina l’uso di gel non newtoniani con un nuovo design di stampante per stampare strutture filamentose micron-sottili. In particolare, il gel utilizza lo scambio di solvente per inibire la rottura capillare dovuta alla tensione superficiale. In questo modo, consente all’ugello di stampa di muoversi liberamente grazie al suo torque aggiuntivo, ma le fibre sottili percepiscono il gel come un solido, fornendo il supporto necessario.

Stampa 3D imita la natura

Inoltre, il gel ha fornito prestazioni meccaniche superiori grazie all’uso di fasci di filamenti a scala micron. Riducendo le limitazioni dovute alla rugosità superficiale interfaciale delle particelle di microgel.

Indurimento istantaneo

Gli ingegneri hanno creato il gel con una miscela di solventi che fa solidificare l’inchiostro non appena entra in contatto con esso. L’indurimento istantaneo ha aiutato il processo di stampa a supportare strutture super-sottili e intricate che sarebbero state impossibili con i metodi e i materiali precedenti.

Test della stampa 3D incorporata

Per testare la loro teoria, il team ha creato una stampante 3D costruita su misura. Il dispositivo integra un sistema di stadio di movimento di precisione, un sistema di erogazione e un computer di controllo, simile alla maggior parte delle unità commerciali. La differenza principale è che stampa all’interno di un gel di supporto con reologia di fluido a stress di cedimento viscoplastico.

In particolare, il team ha testato 7 inchiostri diversi per trovare l’opzione migliore. La selezione comprendeva una gamma di materiali, dagli elastomeri termoplastici al polistirene e PVC. Test aggiuntivi hanno valutato l’uso del copolimero a blocchi stirene-etilene-butilene-stirene, SEBS, e toluene come opzione di solvente.

Risultati della stampa 3D incorporata

I risultati dei test hanno mostrato capacità impressionanti. Hanno scoperto che lo scambio di solvente tra l’inchiostro estruso ha facilitato una solidificazione rapida, supportando stampe più intricate e complesse. La stampante del team è stata in grado di raggiungere un diametro interno di 5 µm nelle stampe usando un ugello di vetro. Lo stesso dispositivo ha raggiunto una risoluzione di spessore di 1,5 micron seguendo traiettorie libere.

Benefici della stampa 3D incorporata

La capacità di stampare strutture usando materiali morbidi con un diametro così piccolo come un micron apre la porta a una rivoluzione nella scienza dei materiali. Materiali e strutture che sfruttano strutture sottili simili a peli possono fornire un nuovo livello di integrità strutturale.

Più veloce

Questo metodo di stampa 3D incorporata è più veloce dei metodi tradizionali grazie alla caratteristica di indurimento istantaneo. In particolare, il team ha registrato la solidificazione del filamento polimerico estruso a una velocità di 2,33 μm/s. Impressionante, questi dati indicano una velocità 500.000 volte superiore rispetto ai metodi concorrenti.

Produzione rapida

Inoltre, la capacità di stampare tramite più ugelli in parallelo apre la porta a applicazioni di produzione su larga scala. Più ugelli possono essere configurati per stampare come una catena di montaggio o per creare una struttura complessa. Queste strutture possono integrare diversi materiali. Di conseguenza, possono stampare circuiti elettrici, interruttori e molto altro.

Flessibilità

La ricerca dimostra che 3DPX può supportare un’ampia gamma di materiali, inclusi diversi polimeri commerciali, solventi e componenti non solventi. Questa flessibilità rende il processo più facile da integrare nei processi di produzione attuali.

Cosa significa la tecnologia di stampa 3D incorporata per i semiconduttori

Questo approccio più recente consentirebbe agli ingegneri di creare semiconduttori stampati in 3D completamente attivi sfruttando recenti innovazioni come fusibili resettabili stampati interamente in 3D. Questa svolta tecnologica potrebbe avere un impatto significativo sull’industria dei semiconduttori, permettendo finalmente agli scienziati di rendere la produzione di questi dispositivi più economica, efficiente e capace.

Ricercatori della stampa 3D incorporata

Il dott. Wonsik Eom del Dipartimento di Ingegneria dei Materiali a Convergenza di Fibre dell’Università Dankook in Corea del Sud ha lavorato insieme a un team di ingegneri, inclusi i professori MechME Sameh Tawfick e Randy Ewoldt, per portare questo nuovo studio sulla stampa 3D al pubblico. In futuro, prevedono di ampliare i test per esaminare ancora più materiali e gel.

Aziende leader nell’industria della stampa 3D incorporata

La manifattura additiva ha compiuto grandi progressi nell’ultimo decennio. Oggi, diversi tipi di metodi di stampa vanno dalla creazione di materiali compositi per veicoli spaziali, fino alla stampa di organi umani e tutto ciò che sta in mezzo. Ecco un’azienda pronta a massimizzare qualsiasi avanzamento nella stampa 3D.

Materialise

L’azienda belga di software e manifattura per stampa 3D, Materialise (MTLS ) rimane uno spirito pionieristico nel mercato. È stata fondata da Wilfried Vancraen e Hilde Ingelaere nel 1990 per offrire opzioni di prototipazione rapida ai produttori. In modo impressionante, questa azienda ha introdotto diverse novità negli ultimi tre decenni.

Oggi, il software di stampa 3D di Materialise è popolare tra i produttori grazie al suo utilizzo di moduli. In particolare, esistono moduli per la creazione di reticoli e per l’annidamento dei componenti. queste opzioni aiutano gli sviluppatori a creare progetti più leggeri e più resistenti e potrebbero essere ideali per la creazione di strutture micron-sottili.

Materialise offre prodotti in diversi settori, dal settore medico a casi d’uso industriali. È riconosciuta come una delle principali opzioni azionarie di stampa 3D per gli investitori. Pertanto, potrebbe essere un’aggiunta intelligente al portafoglio di chi cerca un’azione di stampa 3D affidabile con decenni di esperienza.

Stampa 3D incorporata – Computer più veloci e leggeri

Ci sono moltissimi usi per strutture 3D ultra-sottili. Quando si esamina il desiderio degli sviluppatori hardware di poter stampare interi chip in un unico processo, la ricerca svolta da questo team si dimostrerà una risorsa preziosa per il futuro. In primo luogo, questa ricerca apre la porta a numerose innovazioni nella scienza dei materiali e in altri campi.

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Riferimento allo studio:

^{1. Eom, W., Hossain, M. T., Parasramka, V., Kim, J., Siu, R. W. Y., Sanders, K. A., Piorkowski, D., Lowe, A., Koh, H. G., De Volder, M. F. L., Fudge, D. S., Ewoldt, R. H., & Tawfick, S. H. (2025). Stampa 3D rapida di fibre fini, continue e morbide tramite scambio di solvente incorporato. Nature Communications, 16, 842. https://doi.org/10.1038/s41467-025-55972-1}