Produzione additiva
La stampa 3D su scala nanometrica sembra pronta per la commercializzazione
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La stampa 3D è molto di moda al momento. Conosciuta anche come processo di produzione additiva, nella stampa tridimensionale o stampa 3D, un oggetto viene creato usando un modello digitale invece di utilizzare uno stampo. In questo processo, diversi strati sottili di materiale vengono aggiunti insieme.
Gli inventori hanno sviluppato la tecnica nel 1984, ma solo di recente ha iniziato a decollare poiché i progressi tecnologici l’hanno resa un processo di produzione praticabile.
I produttori in molti settori utilizzano questa tecnica per prototipare rapidamente prima di produrre in serie i prodotti. Rendendo la prototipazione più veloce, più semplice e più economica, la stampa 3D favorisce maggiore innovazione e sperimentazione.
Oggi, il settore della stampa 3D è cresciuto enormemente grazie a continui progressi e ricerche che migliorano ulteriormente la tecnologia. L’interesse per la stampa 3D è così grande che gli scienziati stanno ora lavorando su tecniche di produzione sia a livello micro che nanoscale.
Mentre la stampa 3D è troppo lenta per essere utilizzata nella produzione di massa, la stampa 3D su scala nanometrica potrebbe risolvere questo problema e probabilmente sarà presto pronta per l’uso.
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Stampa 3D su scala nanometrica e il suo potenziale
Fin dalla sua introduzione, la tecnologia di stampa 3D ha aumentato la produttività manifatturiera. Questo incremento è dovuto principalmente al fatto che la stampa 3D consente una notevole libertà di progettazione eliminando qualsiasi limitazione strutturale o spaziale dei metodi di produzione tradizionali. Inoltre, è riconosciuta per la sua efficienza nei materiali, offrendo il potenziale per una produzione a basso o nullo spreco. La stampa 3D svolge anche un ruolo cruciale nella riduzione dei costi e dei tempi di immissione sul mercato per i piccoli produttori.
Tuttavia, la maggior parte delle applicazioni della stampa 3D è limitata a dimensioni dell’ordine del centimetro. Oltre a questo, le sfide meccaniche e dei materiali ne limitano l’uso principalmente a scopi di ricerca. Pertanto, per espandere la stampa 3D a una scala di produzione di massa e andare oltre il semplice prototipare, la tecnologia deve affrontare alcune sfide legate a dimensioni, materiali e costi.
Per questo motivo, molti ricercatori stanno utilizzando più materiali a diverse scale di dimensione, uno sviluppo che porta l’attenzione sulla stampa 3D su scala nanometrica. La nanotecnologia riguarda misurazioni inferiori a 100 nanometri, una scala così piccola da essere invisibile a occhio nudo.
Nel campo della stampa 3D su scala nanometrica, l’obiettivo è stampare in 3D oggetti misurati in nanometri. Questa tecnologia rappresenta un promettente salto nella produzione additiva, consentendo l’assemblaggio di oggetti atomo per atomo.
Il potenziale della tecnologia su scala nanometrica si estende al miglioramento dell’efficienza e della produttività in vari settori, come batterie, nanorobotica, microelettronica, dispositivi medici, semiconduttori e tecnologie dei sensori. Questi settori possono trarre vantaggi significativi dalla precisione della creazione su scala nanometrica senza compromettere l’accuratezza.
Tuttavia, il processo di stampa 3D, anche su scala nanometrica, rimane lento. Inoltre, presenta limitazioni nei tipi di materiali che possono essere utilizzati, soprattutto nella stampa su scala nanometrica.
Nel 2022, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo di stampa 3D su scala nanometrica utilizzando un materiale che eccelle nella resistenza alle forze, offre protezione e può assorbire il doppio dell’energia rispetto ad altri materiali alla stessa densità. Questo progresso apre numerose applicazioni in settori come droni, satelliti e microelettronica.
Un’altra grande sfida nell’adottare la tecnologia della stampa 3D è il costo. I materiali utilizzati sono costosi e le macchine di stampa 3D stesse, che dipendono dalla capacità di produrre prodotti con specifiche particolari, sono costose.
Inoltre, le spese per software, manutenzione tecnologica e integrazione dei sistemi aumentano ulteriormente il costo complessivo di questa tecnica. A causa di tali costi elevati, la stampa 3D rimane più fattibile per produzioni su piccola scala e altamente specializzate.
La ricerca in questo campo è in corso da tempo per affrontare diverse problematiche. Ad esempio, qualche anno fa, un team di ricercatori ha dimostrato una tecnica di stampa 3D che produce rapidamente oggetti 3D complessi su scala nanometrica con caratteristiche lisce.
Tuttavia, il fatto rimane che, nonostante il suo potenziale per migliorare molti dispositivi, la stampa 3D su scala nanometrica è estremamente proibitiva in termini di costi. Questo potrebbe finalmente cambiare ora, poiché nuove ricerche hanno trovato un approccio che riduce drasticamente i costi e le barriere all’ingresso, rendendo il processo fattibile per la commercializzazione.
Metodo più veloce e più economico per stampare piccole strutture metalliche con la luce
La ricerca più recente ha sviluppato un nuovo metodo per stampare strutture metalliche di dimensioni nanometriche basato su luce a bassa intensità. Questo nuovo approccio basato sulla luce è estremamente veloce, fino a 480 volte più rapido rispetto ai metodi attualmente in uso, ed è economico.
Questo nuovo studio, intitolato “Stampa scalabile di nanostrutture metalliche tramite proiezione di luce superluminescente (SLP)”, è stato condotto recentemente dai coautori Sourabh K. Saha, professore assistente del programma di ingegneria meccanica della Georgia Tech, e Jungho Choi, dottorando nel laboratorio di Saha.
Secondo Saha, costo e velocità sono due fattori che sono “notevolmente sottovalutati nella comunità scientifica” quando si lavora alla fabbricazione e produzione di piccole strutture. Sebbene trascurati nel mondo scientifico, queste metriche sono davvero importanti nel mondo reale “quando si tratta di tradurre le scoperte dal laboratorio all’industria”.
“Solo quando avremo tecniche di produzione che tengono conto di queste metriche potremo sfruttare appieno la nanotecnologia a beneficio della società.”
– ha detto Saha
Choi e Saha sono anche inventori di una domanda di brevetto SLP per la quale i diritti di proprietà intellettuale sono assegnati alla Georgia Tech Research Corporation.
Pubblicato su Advanced Materials, una rivista scientifica settimanale peer-reviewed, il nuovo studio ha rivelato che questi ricercatori hanno sviluppato un metodo basato sulla luce per stampare strutture metalliche su scala nanometrica, più veloce, più economico e scalabile.
In tal modo, questa tecnologia ha il potenziale di trasformare il campo della produzione additiva, attualmente proibitivamente costoso e lento. Questa scoperta è 35 volte meno costosa rispetto alle tecnologie attualmente disponibili sul mercato.
In realtà esistono molti progressi tecnologici in diversi settori che dipendono dalla capacità di stampare su strutture metalliche di dimensioni nanometriche, una tecnica nota come nanopatterning. Questi settori includono sensori, dispositivi elettronici, fotonica, conversione dell’energia solare, biomedicina e diagnostica, e altri sistemi.
Per quanto riguarda la stampa su scala nanometrica, si ritiene che la procedura richieda una sorgente luminosa ad alta intensità. Uno di questi strumenti è il laser femtosecondo, che fornisce impulsi laser ultracorti a un punto focale.
Sebbene sia davvero utile, questo strumento può essere molto costoso. Con un prezzo che può arrivare a mezzo milione di dollari, non è realmente fattibile per la maggior parte dei laboratori di ricerca e, naturalmente, per le piccole imprese.
Come osservato da Saha, è proprio questo costo che rende difficile che queste scoperte vedano mai la luce del mondo reale, finendo per rimanere solo progetti di laboratorio. Ha detto:
“Come comunità scientifica, non abbiamo la capacità di produrre abbastanza di questi nanomateriali in modo rapido ed economico, ed è per questo che le tecnologie promettenti spesso rimangono limitate al laboratorio e non vengono tradotte in applicazioni del mondo reale.”
Quindi, la prossima domanda ovvia è: c’è davvero bisogno di uno strumento così ad alta intensità? La risposta è stata negativa, come ha detto Saha:
“La nostra ipotesi era che non avessimo bisogno di quella sorgente luminosa per ottenere il tipo di stampa che desideriamo.”
Di conseguenza, i ricercatori hanno iniziato a cercare una luce a basso costo che abbia bassa intensità ma possa essere focalizzata in modo simile ai laser femtosecondi. E hanno scoperto i diodi a emissione di luce superluminescente (SLED), scelti per la loro disponibilità commerciale.
Un SLED è una sorgente luminosa a semiconduttore a emissione di bordo basata sulla superluminescenza che combina la brillantezza e l’alta potenza dei diodi laser con la bassa coerenza dei diodi a emissione di luce convenzionali. La luce emessa dai SLED è significativamente meno intensa rispetto a quella dei laser femtosecondi.
Stampa di dimensioni nanometriche in stile proiezione basata su luce a bassa intensità
Con questa ricerca, Choi e Saha hanno mirato a sviluppare la prima tecnologia di stampa in stile proiezione. Questo sistema è progettato per funzionare come un proiettore digitale, trasformando le immagini dal digitale all’ottico e poi proiettandole su una superficie di vetro.
Tuttavia, le immagini prodotte da questa tecnologia di stampa sono più nitide. Questa nitidezza è il risultato dello sfruttamento delle proprietà uniche della luce superluminescente per generare immagini con difetti minimi.
Questa tecnica SLP, o proiezione di luce superluminescente, stampa rapidamente nanostrutture sub-diffrazione (dimensioni più piccole del limite di diffrazione della luce coinvolta) con luce a bassa intensità. I ricercatori hanno sfruttato le proprietà di coerenza spaziale e temporale della luce superluminescente a base di diodi.
Ora, per la loro ricerca, hanno utilizzato sale metallico insieme ad altri prodotti chimici per sviluppare una soluzione d’inchiostro trasparente in grado di assorbire la luce. Quando la luce del loro sistema di proiezione colpisce la soluzione, provoca una reazione chimica, convertendo la soluzione in metallo. Queste nanoparticelle metalliche si attaccano alla superficie del vetro, creando le nanostrutture.
Essere una tecnologia di stampa in stile proiezione significa che può essere usata per stampare intere strutture in un’unica volta. Il fatto che, invece di procedere punto per punto, questa tecnica lo faccia tutto in una sola volta la rende più veloce rispetto ad altri metodi convenzionali.
I test sulla stampa di metallo di dimensioni nanometriche in stile proiezione basata sulla luce hanno rivelato che funziona anche con luce a bassa intensità, a condizione che le immagini siano nitide.
Secondo Choi e Saha, il loro lavoro può essere replicato rapidamente da altri ricercatori utilizzando hardware commercialmente disponibile. Non costerà molto, poiché il tipo di SLED utilizzato nella loro ricerca costa circa 3.000 dollari.
In questo modo, la ricerca rende possibile per piccole imprese, centri di ricerca e persino individui di sfruttare la tecnologia e sperimentare per innovare. Secondo Choi:
“Attualmente, solo le università di alto livello hanno accesso a queste costose tecnologie e, anche in tal caso, si trovano in strutture condivise e non sono sempre disponibili.”
Inoltre, Choi ha detto:
“Vogliamo democratizzare la capacità della stampa 3D su scala nanometrica e speriamo che la nostra ricerca apra la porta a un maggiore accesso a questo tipo di processo a basso costo.”
Questa scoperta ha un reale potenziale per aiutare le nuove tecnologie a uscire finalmente dai laboratori di ricerca e ad essere utilizzate nel mondo.
La ricerca ha certamente un ampio potenziale di applicazione, con i ricercatori che affermano che la loro tecnica sarà particolarmente utile nei campi dell’ottica e della plasmonica, che richiedono una varietà di complesse nanostrutture metalliche.
Altre aree potenziali in cui potrà essere utilizzata in futuro includono componenti elettronici più piccoli ed efficienti per smartphone, computer e dispositivi indossabili. Inoltre, può contribuire a sensori avanzati, attuatori, sistemi di comunicazione miniaturizzati, dispositivi biomedicali come impianti e dispositivi diagnostici, ottica su piccola scala per fotocamere e sistemi di imaging, piccoli dispositivi per la raccolta di energia e lo sviluppo di nuovi materiali con proprietà personalizzate.
La stampa 3D su scala nanometrica aiuterà ulteriormente nella ricerca e nello sviluppo di soluzioni ancora più fattibili.
Aziende leader nella produzione additiva
Ora, diamo un’occhiata a qualche azienda che sta guidando la produzione additiva:
#1. Stratasys
Il fornitore statunitense di soluzioni di stampa 3D è un leader internazionale nell’industria della produzione additiva. Stratasys fornisce una gamma di stampanti 3D e materiali per i settori automobilistico, sanitario, educativo, aerospaziale e altri settori. L’azienda possiede inoltre numerosi brevetti di tecnologia additiva utilizzati per creare modelli, prototipi, strumenti di produzione e parti di produzione.
L’ultima stampante 3D dell’azienda, la F3300, presenta miglioramenti significativi in termini di velocità e costo. Offre velocità di movimento del gantry aumentate, tassi di estrusione più rapidi e calibrazione automatica per risparmiare tempo e aumentare la produttività. La macchina è destinata alla produzione di parti per uso finale e può essere utilizzata anche per la prototipazione.
SSYS Grafico dei prezzi
Con una capitalizzazione di mercato di 902,6 milioni di dollari, le azioni di Stratasys sono attualmente scambiate a 13,05 $, in calo dell’8,61% dall’inizio dell’anno (YTD). L’azienda ha registrato un fatturato degli ultimi dodici mesi (TTM) di 630,52 milioni di dollari, con un EPS (TTM) di -1,61 e un P/E (TTM) di -8,10.
#2. 3D Systems
Un nome ben noto nell’industria della produzione additiva, 3D Systems (DDD ) offre una vasta gamma di soluzioni di stampa 3D, che spaziano dall’hardware al software, ai materiali, per settori come sanità, aerospazio, difesa, automotive, beni di consumo e produzione generale.
Le tecnologie di 3D Systems includono Direct Metal Printing, Selective Laser Sintering, MultiJet Printing, ColorJet Printing, Stereolitografia (SLA) e biostampa basata su SLA.
Alla fine dell’anno scorso, l’azienda ha annunciato un impianto cranico stampato in 3D su misura per il paziente, utilizzato con successo in una cranioplastica presso l’UniversitätsSpital di Basilea. Si prevede che l’uso di impianti cranici stampati in 3D avrà una dimensione di mercato di 2,1 miliardi di dollari entro la fine di questo decennio.
DDD Grafico dei prezzi
Con una capitalizzazione di mercato di 677,845 milioni di dollari, le azioni di 3D Systems Corp sono attualmente scambiate a 5,08 $, in calo del 20% YTD. L’azienda ha registrato un fatturato (TTM) di 505,95 milioni di dollari, con un EPS (TTM) di -0,74 e un P/E (TTM) di -6,85.
#3. GE Additive
Una divisione del colosso tecnologico General Electric (GE.TO ), GE Additive dispone di una gamma completa di stampanti, materiali di consumo e soluzioni software per consentire alle aziende in diversi segmenti di mercato di innovare.
Il mese scorso, l’azienda ha presentato la sua tecnologia di stampa a legante metallico alla più grande fiera europea di produzione additiva (AM). Per questo, GE Additive sta collaborando con un nuovo settore, quello medico, per ampliare i propri orizzonti oltre l’aerospazio. Con i jet a legante, l’azienda mira a fornire “un metodo di produzione secondario nel caso in cui si verifichi un problema nella catena di approvvigionamento”.
GE Grafico dei prezzi
Con una capitalizzazione di mercato di 141,4 miliardi di dollari, le azioni di General Electric Co sono attualmente scambiate a 129,93 $, in aumento dell’1,8% YTD. L’azienda ha registrato un fatturato (TTM) di 67,95 miliardi di dollari, con un EPS (TTM) di 8 e un P/E (TTM) di 16,24. GE paga anche un rendimento da dividendo dello 0,25%.
Considerazioni finali
Sebbene sia ancora nelle prime fasi di ricerca, la stampa 2D su scala nanometrica e il panorama della produzione additiva stanno avanzando a un ritmo rapido. Già, come abbiamo visto, vengono sviluppate tecniche di stampa più veloci ed economiche che rendono la stampa metallica su scala nanometrica scalabile e commercialmente fattibile.
Man mano che nuove ricerche continueranno a lavorare su problemi come i costi e le limitazioni dei materiali, vedremo emergere nuove soluzioni, rimuovendo le barriere all’ingresso e producendo progetti di prodotto personalizzati e sostenibili. Ciò porterà all’uso diffuso di queste tecniche in medicina, moda, prodotti di consumo, elettronica avanzata e molto altro, aumentando finalmente la possibilità che dispositivi abilitati alla nanotecnologia vengano utilizzati significativamente nel mondo reale e rendendo la stampa 3D più commercializzabile.
