Il prossimo salto nella stampa 3D è la crescita di metalli resistenti

Gli scienziati dell’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) hanno creato un nuovo metodo di stampa 3D in grado di trasformare semplici idrogel in metalli e ceramiche ad alte prestazioni.

In sostanza hanno fatto crescere il metallo consentendo più infusioni di sali metallici che formano strutture estremamente resistenti e dense senza la porosità dei metodi precedenti. I risultati mostrano che i metalli creati con la nuova tecnica sono 20 volte più forti e presentano una riduzione molto minore del restringimento.

Questa svolta promette una produzione efficiente di dispositivi di nuova generazione per energia, sensori e applicazioni biomediche.

Perché i materiali architettati hanno bisogno di una migliore stampa 3D di metalli

Come base della produzione, costruzione, ingegneria e tecnologia, i materiali influenzano direttamente la funzionalità, la durata e la sicurezza di tutto, dagli edifici all’elettronica, ai trasporti e all’assistenza sanitaria.

Ciò rende importante creare nuovi materiali o migliorare quelli esistenti per soddisfare esigenze specifiche, risolvere problemi e guidare il progresso in vari settori.

Un approccio innovativo e cruciale per raggiungere questo obiettivo è la progettazione di materiali architettati, un processo che migliora le proprietà dei materiali rispetto alle loro controparti semplici progettando la loro struttura interna su più scale.

Questa classe emergente di materiali utilizza la geometria strutturale 3D per accedere a funzionalità e proprietà altrimenti inaccessibili solo tramite composizione e/o ottimizzazione della microstruttura.

Man mano che la nostra comprensione delle relazioni architettura‑proprietà e degli strumenti di produzione è avanzata, lo è stato anche lo sviluppo di questi materiali nano‑ e micro‑architettati 3D con proprietà nuove o migliorate, che spaziano da comportamenti meccanici estremi a proprietà ottiche esotiche che semplicemente non possono essere ottenute con materiali trattati tradizionalmente. In questo modo, i materiali architettati aiutano a soddisfare la crescente domanda di dispositivi ad alte prestazioni e a consentire tecnologie complesse.

Questi materiali sono attualmente fabbricati utilizzando tecnologie di manifattura additiva (AM) grazie alla loro capacità di produrre strutture 3D complesse su una vasta gamma di scale dimensionali. Tra i diversi processi AM, la fotopolimerizzazione a vasca (VP) è ampiamente usata poiché consente dimensioni ridotte e velocità rapide.

In questo metodo di stampa 3D, una resina fotosensibile viene depositata in una vasca e, poi, usando un laser o luce UV, viene indurita selettivamente nella forma richiesta.

Tuttavia, questo processo è utilizzato solo con polimeri fotosensibili e presenta difficoltà nella fabbricazione di materiali non polimerici. Poiché i polimeri hanno proprietà strutturali e funzionali limitate, ciò limita i casi d’uso dei dispositivi fabbricati con VP.

Di conseguenza, gli scienziati hanno sviluppato metodi per consentire la VP di materiali non fotopolimerizzabili come metalli e ceramiche. Questo include l’uso di fotoresina ibrida (che combina componenti inorganiche e organiche) o slurry fotosensibile, ma presenta sfide legate alla dispersione della luce, alla viscosità e a composizioni materiali limitate.

Di conseguenza, l’uso di soluzioni di sali metallici è emerso come un approccio promettente, versatile e disponibile commercialmente. Tuttavia, questo comporta una notevole quantità di restringimento, causando porosità, deformazioni e danni strutturali.

Per affrontare queste sfide, i ricercatori dell’EPFL hanno sviluppato un nuovo metodo versatile per fabbricare metalli e ceramiche architettati densi con ridotti restringimenti lineari di conversione.

Ciò che hanno fatto è stato far crescere i metalli in un idrogel, il che porta a costruzioni notevolmente dense ma complesse per tecnologie avanzate.

Gli idrogel sono materiali polimerici composti principalmente da acqua. Quando idratati, diventano simili a gelatina. Essendo biocompatibili, sono impiegati in una vasta gamma di applicazioni mediche e altre. Tuttavia, questi materiali soffrono di stress meccanico ripetuto e possono facilmente deformarsi.

“Il problema degli idrogel esistenti è che possono essere meccanicamente deboli e quindi necessitano di rinforzo,” ha detto il professore associato Koichi Mayumi dell’Istituto di Fisica dello Stato Solido (ISSP) dell’Università di Tokyo, che ha creato¹ un idrogel che mostra una tenacità simile alla gomma e recuperabilità mantenendo la flessibilità.

Uno studio recente, nel frattempo, ha utilizzato gli idrogel per dimostrare la capacità dei materiali non viventi di usare la “memoria” per aggiornare la loro comprensione dell’ambiente. Hanno mostrato che “la memoria emerge all’interno degli idrogel” facendo giocare idrogel non viventi (che possono rispondere a stimolazioni elettriche) al videogioco Pong e migliorare la loro precisione fino al 10% attraverso la pratica.

Ora, i ricercatori dell’EPFL hanno trasformato questi idrogel morbidi in metalli e ceramiche eccezionalmente resistenti usando un potente nuovo metodo di stampa 3D.

Un nuovo modo per stampare in 3D metalli resistenti

Con altri metodi di stampa 3D creati per convertire i polimeri stampati in materiali più resistenti, che soffrono di gravi problemi strutturali, “questi materiali tendono a essere porosi, il che riduce significativamente la loro resistenza, e le parti subiscono un eccessivo restringimento, che causa deformazioni,” i ricercatori hanno creato una soluzione unica al problema.

I ricercatori dell’EPFL hanno introdotto un metodo di stampa 3D chiamato fabbricazione additiva mediante infusione di idrogel (HIAM).

Nell’ultimo studio, pubblicato su Advanced Materials³, i ricercatori hanno osservato che nonostante i vantaggi in termini di versatilità e accessibilità, l’utilità del nuovo metodo è limitata dal restringimento del 50‑90% che si verifica durante il processo di conversione da polimero a ceramica, il quale provoca molta porosità, crepe e deformazioni nei pezzi finali, rendendoli spesso troppo fragili per un uso pratico. Pertanto, hanno anche utilizzato una strategia di infusione‑precipitazione post‑fabbricazione.

Invece di utilizzare la luce per solidificare una resina pre‑infusa con precursori metallici, il team dell’EPFL ha prima costruito una struttura 3D di idrogel.

Poi l’idrogel “vuoto” viene infuso con diverse soluzioni di sali metallici prima di essere trattato termicamente per convertirlo in nanoparticelle contenenti metalli che permeano la struttura. Ripetendo il processo, è possibile creare compositi con concentrazioni metalliche molto elevate.

Dopo cinque‑dieci di questi “cicli di crescita”, l’ultimo passo prevede il riscaldamento che brucia l’idrogel residuo. Questo lascia il prodotto finito, cioè un oggetto ceramico o metallico nella forma del polimero originale vuoto, molto resistente e denso.

Infondere sali metallici negli idrogel solo dopo la fabbricazione significa che un unico idrogel può essere modificato in molti diversi compositi, metalli o ceramiche.

Non solo una singola composizione di resina può essere usata per fabbricare una quasi infinita gamma di materiali non polimerici, ma questo studio evidenzia anche un nuovo paradigma della AM in cui la selezione del materiale non avviene prima ma piuttosto dopo la stampa 3D.

Quindi, la nuova tecnica “consente la fabbricazione di metalli e ceramiche di alta qualità con un processo di stampa 3D accessibile e a basso costo,” ha detto Daryl Yee, capo del Laboratorio per la Chimica dei Materiali e della Produzione (ALCHEMY) nella Scuola di Ingegneria dell’EPFL.

L’obiettivo di ALCHEMY è integrare scienza dei materiali, progettazione molecolare e produzione avanzata per creare materiali funzionali avanzati in grado di affrontare le sfide sociali nella sanità, energia e cambiamento climatico.

Utilizzando il loro metodo, il team dell’EPFL ha fabbricato con successo una varietà di strutture 3D metalliche e ceramiche complesse. Hanno creato forme reticolari matematiche complesse chiamate giroidi in rame, argento e ferro.

La fabbricazione di Fe₂O₃, SrFe₁₂O₁₉, Fe, Cu e Ag ha raggiunto densità prossime all’88‑89% teorico e restringimenti del 20‑40% (a seconda della composizione), dimostrando la capacità della tecnica di creare strutture resistenti e intricate. È stata inoltre utilizzata una macchina di prova universale per testare la resistenza dei materiali applicando una pressione crescente ai giroidi.

“I nostri materiali hanno potuto sopportare una pressione 20 volte superiore rispetto a quelli prodotti con metodi precedenti, mostrando solo un restringimento del 20% rispetto al 60‑90%.”

– Dottorando e primo autore Yiming Ji

Secondo gli scienziati, la nuova tecnica basata su infusione‑precipitazione promette di fabbricare materiali architettati avanzati e strutture 3D che devono essere contemporaneamente complesse, leggere e resistenti, come dispositivi biomedici, sensori o dispositivi per la conversione e lo stoccaggio dell’energia.

Nei prossimi passi, il team si concentrerà sul miglioramento del processo, in particolare sull’aumento ulteriore della densità dei loro materiali, per la commercializzazione.

La velocità è un altro obiettivo. Sebbene le infusioni ripetute siano importanti per produrre materiali più resistenti, questi passaggi rendono il metodo dispendioso in termini di tempo. “Stiamo già lavorando per ridurre il tempo totale di lavorazione usando un robot per automatizzare questi passaggi,” ha detto Yee.
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Dove sta andando la manifattura additiva?

La manifattura additiva è una delle tecnologie più dirompenti della nostra epoca, costruendo oggetti 3D strato per strato usando la progettazione digitale e un’ampia gamma di materiali, come metallo, plastica e cemento.

Questa tecnologia è comoda, versatile e capace di fabbricare rapidamente strutture geometriche intricate. Riduce anche gli sprechi di materiale, consente un’alta personalizzazione e migliora le prestazioni dei dispositivi flessibili.

La dimensione del mercato globale AM è stimata intorno a 25 miliardi di dollari nel 2025 e si prevede che supererà i 125 miliardi di dollari entro il 2032. Nel frattempo, il totale delle unità di stampanti 3D spedite a livello globale era di 2,2 milioni nel 2021 e si prevede che raggiungerà 21,5 milioni di unità entro la fine di questo decennio.

Queste cifre riflettono una crescente adozione della tecnologia, che non è limitata solo ai laboratori. Viene sempre più utilizzata per costruire case, scarpe, visori VR, materiali biodegradabili auto‑guaribili e molto altro.

Più recentemente, i ricercatori di Empa hanno riferito lo sviluppo di un impianto corneale biocompatibile stampato in 3D che può riparare permanentemente i danni oculari.

Con milioni di persone in tutto il mondo colpite da danni corneali, solo una piccola percentuale può essere trattata con un trapianto corneale. Lo sviluppo di impianti auto‑adesivi personalizzati reso possibile dalla biostampa a estrusione 3D può cambiare radicalmente le cose.

L’impianto è realizzato in un idrogel biocompatibile, che sarà successivamente caricato con cellule staminali umane dell’occhio per supportare la rigenerazione dei tessuti.

Mentre le applicazioni della AM continuano a crescere, gli scienziati stanno anche risolvendo alcune delle sfide tecniche più persistenti della stampa 3D. Ricercatori dell’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hanno creato una tecnica di estrusione assistita da vuoto che può ridurre la porosità interna dei componenti polimerici del 75%, affrontando così il problema che ostacola la manifattura additiva su larga scala (LFAM).

La porosità interna indebolisce le parti stampate, e ridurla è importante per migliorare le prestazioni complessive.

Ciò che i ricercatori hanno fatto è stato, durante il processo di estrusione, integrare un serbatoio a vuoto, che rimuoveva i gas intrappolati e minimizzava la formazione di vuoti nei materiali rinforzati con fibre, prevalenti nella LFAM per la loro rigidità e bassa espansione termica, ma che presentano porosità intra‑perla che ne compromette la qualità.

“Utilizzando questa tecnica innovativa, non solo affrontiamo il problema critico della porosità nelle stampe polimeriche su larga scala, ma apriamo anche la strada a compositi più resistenti. Questo è un salto significativo in avanti per l’industria LFAM.”

– Vipin Kumar dell’ORNL

Nel frattempo, i ricercatori dell’Università del Colorado Boulder hanno creato un software, OpenVCAD, per facilitare la realizzazione di progetti più complessi. Il software open‑source può applicare proprietà specifiche a determinate parti delle strutture reticolari, solitamente utilizzate per capacità di assorbimento degli impatti.

Il primo strumento di progettazione multi‑materiale basato su codice “consente agli utenti di modificare una piccola variabile e vedere l’intero progetto aggiornarsi in modo semplice,” ha detto il responsabile del progetto Robert MacCurdy. Converte progetti a gradiente complicati in codice pronto per la stampa per le moderne applicazioni ingegneristiche.

Oltre a migliorare la qualità dei materiali, gli innovatori stanno anche lavorando per portare il potere della fabbricazione nel palmo della mano. Un documento di ricercatori dell’UT Austin e del MIT ha esplorato l’uso della fotonica al silicio in una stampante 3D basata su chip, dove un unico dispositivo fotonico di scala millimetrica svolge la maggior parte della funzionalità meccanica della stampante sostituendo la sorgente luminosa. La stampante risultante è molto più semplice ed economica.

Le stampanti 3D attuali dipendono da sistemi meccanici grandi e complessi, limitando velocità, portabilità, risoluzione, fattore di forma e complessità dei materiali. Sebbene i ricercatori stiano studiando stampanti 3D basate sulla fotopolimerizzazione, esse dipendono ancora da sistemi meccanici ingombranti e complessi.

Quindi, lo studio più recente ha combinato fotonica al silicio e fotchimica per la prima stampante 3D basata su chip. Hanno utilizzato un chip CMOS a fotonica al silicio in una piccola camera, che emette e dirige la luce, insieme a una guida d’onda a cristalli liquidi per lavorare con la resina.

Il sistema è un “sistema di array di fase ottico integrato a luce visibile” che funge da sistema di fotopolimerizzazione a vasca su un chip, con l’idea finale di far entrare l’intero sistema nel palmo della mano.

Investire nella stampa 3D

Famosa per la stampa tradizionale, HP (HPQ ) ha fatto un ingresso aggressivo nel mercato della stampa 3D e vanta scala, capitale e infrastruttura per adottare processi all’avanguardia come l’infusione di idrogel.

L’azienda ha iniziato a operare nella manifattura additiva poco più di un decennio fa e da allora ha lanciato diversi sistemi di stampa 3D per polimeri e introdotto la tecnologia Metal Jet. Pur non essendo il più vecchio attore nell’industria della stampa 3D, HP sta lavorando per diventare leader di mercato attraverso l’innovazione in tecnologia, materiali e partnership.

HP Inc. (HPQ )

All’inizio di quest’anno, la tecnologia di stampa 3D Multi Jet Fusion di HP è stata utilizzata da Blazin Rodz per produrre oltre 75 componenti per un’auto costruita su misura. 

“Non c’è modo di progettare e ingegnerizzare veicoli così estremi, precisi e guidabili come facciamo a Blazin Rodz – in meno di un anno – senza la progettazione CAD e la stampa 3D. La stampa Multi‑Jet Fusion (MJF) di HP è un punto di svolta per l’intera industria, e siamo impegnati a trovare applicazioni intelligenti e innovative con ogni componente distintivo che sviluppiamo e ogni auto personalizzata che costruiamo in futuro.”

– Waylon Jeffrey, responsabile Design 3D & Ingegneria presso Blazin Rodz

Qualche mese fa, l’azienda di produzione di droni mobili, Firestorm Labs, ha ottenuto i diritti di distribuzione esclusiva da HP per la sua tecnologia di stampa 3D Multi Jet Fusion mobile, per consentire la produzione in loco in contesti medici, umanitari e commerciali.

HP è il fornitore globale di computer personali e altri dispositivi di accesso digitale, e opera attraverso tre segmenti chiave.

Il segmento Personal Systems offre desktop commerciali e consumer, notebook, workstation, sistemi POS, display, sistemi ibridi e software; il segmento Printing offre hardware di stampanti consumer e commerciali, insieme a grafica e stampa 3D e personalizzazione nei mercati commerciali e industriali; e il segmento Corporate Investments include alcuni progetti di incubazione aziendale e investimenti.

Con una capitalizzazione di mercato di 25,5 miliardi di dollari, le azioni HPQ sono attualmente quotate a 27,22 $, in calo del 16,18% quest’anno finora. Il loro intervallo a 52 settimane è stato tra 21,21 $ e 39,80 $, mentre il massimo storico è stato a metà del 2022 quando HPQ ha raggiunto un picco di circa 41,50 $.

L’azienda ha un EPS (TTM) di 2,75 e un P/E (TTM) di 9,96. Il rendimento del dividendo offerto da HP ai suoi azionisti è attraente, pari al 4,23%.

Per quanto riguarda la posizione finanziaria di HP, ha riportato un fatturato netto di 13,9 miliardi di dollari, un aumento del 3,1% rispetto al periodo dell’anno precedente, per il terzo trimestre dell’anno fiscale 2025.

Ciò include 4 miliardi di dollari di fatturato dal business Printing, in calo del 4% su base annua (YoY) con un margine operativo del 17,3%. Il fatturato netto dalla Consumer Printing è diminuito dell’8%, dalla Commercial Printing del 3% e dalle Supplies del 4%. Nel frattempo, le unità hardware totali hanno registrato un calo del 9%, con le unità di Commercial Printing in diminuzione del 12% e quelle di Consumer Printing dell’8%.

Gli utili netti diluiti GAAP per azione di HP sono aumentati del 23,1% a 0,80 $, mentre gli EPS netti diluiti non‑GAAP sono diminuiti del 10,7% a 0,75 $.

“Nel Q3 abbiamo conseguito un quinto trimestre consecutivo di crescita dei ricavi, guidati dalla forza di Personal Systems e da un forte slancio nelle nostre aree chiave di crescita. Questi risultati dimostrano la nostra agilità e l’esecuzione focalizzata nel trimestre, rafforzano la solidità della nostra strategia e il nostro impegno a essere leader nel futuro del lavoro.”

– CEO Enrique Lores

Durante questo trimestre, l’azienda ha riportato 1,7 miliardi di dollari di cassa netta dalle attività operative mentre il flusso di cassa libero è stato di 1,5 miliardi di dollari. Ha inoltre restituito 400 milioni di dollari agli azionisti tramite pagamenti di dividendi di 0,2894 $ per azione e riacquisti di azioni per 150 milioni di dollari. HP ha chiuso il trimestre con 2,9 miliardi di dollari in contanti e equivalenti.

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Ultime notizie e sviluppi sulle azioni di HP Inc. (HPQ)

Un nuovo capitolo per la scienza dei materiali

Con la stampa 3D, la produzione è entrata in una nuova era, consentendo prototipazione rapida, sviluppo più veloce, flessibilità di progettazione, risparmio sui costi e miglioramenti nella catena di approvvigionamento.

Sfruttando questa tecnologia e combinandola con l’infusione di idrogel e una strategia di infusione‑precipitazione, i ricercatori dell’EPFL hanno prodotto metalli più resistenti, ridefinendo quando e come l’identità del materiale viene determinata nella catena di produzione. Inoltre, la flessibilità offerta può essere potenzialmente trasformativa per settori che vanno dall’energia all’ingegneria biomedica.

Man mano che questi metodi maturano, si scalano e si commercializzano, possono introdurre un nuovo panorama industriale in cui la resistenza non è creata ma coltivata.

Riferimenti:

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