Un nuovo metodo sviluppato dai ricercatori del MIT utilizza stampanti 3D standard per produrre dispositivi funzionanti con l'elettronica già incorporata all'interno. I dispositivi sono costituiti da fibre contenenti più materiali interconnessi, che può illuminare, sentire l'ambiente circostante, immagazzinare energia, o eseguire altre azioni.

Il nuovo metodo di stampa 3D è descritto nella rivista Comunicazioni sulla natura , in un articolo dello studente di dottorato del MIT Gabriel Loke, i professori John Joannopoulos e Yoel Fink, e altri quattro al MIT e altrove.

Il sistema utilizza stampanti 3D convenzionali dotate di uno speciale ugello e un nuovo tipo di filamento per sostituire il solito filamento polimerico monomateriale, che in genere si scioglie completamente prima di essere estruso dall'ugello della stampante. Il nuovo filamento dei ricercatori ha una complessa struttura interna composta da diversi materiali disposti in una precisa configurazione, ed è circondato da un rivestimento polimerico all'esterno.

Nella nuova stampante, l'ugello funziona a una temperatura più bassa e tira il filamento attraverso le stampanti convenzionali più veloci, in modo che solo il suo strato esterno venga parzialmente fuso. L'interno rimane fresco e solido, con le sue funzioni elettroniche integrate inalterate. In questo modo, la superficie viene fusa quanto basta per farla aderire solidamente ai filamenti adiacenti durante il processo di stampa, per produrre una struttura 3D robusta.

I componenti interni del filamento includono fili metallici che fungono da conduttori, semiconduttori che possono essere utilizzati per controllare funzioni attive, e isolanti polimerici per evitare che i fili entrino in contatto tra loro. A dimostrazione, il team ha stampato un'ala per un modellino di aeroplano, utilizzando filamenti che contenevano sia l'elettronica di emissione che di rilevamento della luce. Questi componenti potrebbero potenzialmente rivelare la formazione di eventuali crepe microscopiche che potrebbero svilupparsi.

Mentre i filamenti utilizzati nell'ala del modello contenevano otto materiali diversi, Loke dice che in linea di principio potrebbero contenere ancora di più. Fino a questo lavoro, lui dice, "una stampante in grado di depositare metalli, semiconduttori, e polimeri in un'unica piattaforma ancora non esistevano, perché la stampa di ciascuno di questi materiali richiede hardware e tecniche differenti."

Questo metodo è fino a tre volte più veloce di qualsiasi altro approccio attuale alla fabbricazione di dispositivi 3D, Loke dice, e come con tutte le stampanti 3D, offre molta più flessibilità per quanto riguarda i tipi di forme che possono essere prodotte rispetto ai metodi di produzione tipici. "Unico per la stampa 3D, questo approccio è in grado di costruire dispositivi di qualsiasi forma libera, che finora non sono ottenibili con altri metodi, " lui dice.

Il metodo utilizza fibre trafilate termicamente che contengono una varietà di materiali diversi incorporati al loro interno, un processo che Fink e i suoi collaboratori stanno perfezionando da due decenni. Hanno creato una serie di fibre che contengono componenti elettronici al loro interno, rendendo le fibre in grado di svolgere una varietà di funzioni. Per esempio, per applicazioni di comunicazione, le luci lampeggianti possono trasmettere dati che vengono poi raccolti da altre fibre contenenti sensori di luce. Questo approccio ha prodotto per la prima volta fibre, e tessuti da loro tessuti, che hanno queste funzioni integrate.

Ora, questo nuovo processo rende disponibile l'intera famiglia di fibre come materia prima per la produzione di dispositivi 3D funzionali in grado di rilevare, comunicare, o immagazzinare energia, tra le altre azioni.

Per realizzare le fibre stesse, i diversi materiali vengono inizialmente assemblati in una versione più grande chiamata preforma, che viene poi riscaldato e trafilato in una fornace per produrre una fibra molto stretta che contiene tutti quei materiali, nelle loro stesse esatte posizioni relative ma di dimensioni notevolmente ridotte.

Il metodo potrebbe essere ulteriormente sviluppato per produrre una varietà di diversi tipi di dispositivi, soprattutto per le applicazioni in cui è essenziale la possibilità di personalizzare con precisione ogni dispositivo. Una di queste aree è per i dispositivi biomedici, dove l'abbinamento del dispositivo al corpo del paziente può essere importante, dice Fink, che è professore di scienza dei materiali, ingegneria elettrica e informatica e CEO dell'organizzazione no-profit Advanced Functional Fabrics of America.

Per esempio, gli arti protesici potrebbero un giorno essere stampati con questo metodo, non solo corrispondere alle dimensioni e ai contorni precisi dell'arto del paziente, ma con tutta l'elettronica per monitorare e controllare l'arto incorporato in posizione.

Negli anni, il gruppo ha sviluppato una vasta gamma di fibre contenenti diversi materiali e funzionalità. Loke afferma che praticamente tutti questi possono essere adattati per la nuova tecnica di stampa 3D, rendendo possibile la stampa di oggetti con un'ampia varietà di combinazioni diverse di materiali e funzioni. Il dispositivo utilizza un tipo standard di stampante 3D nota come stampante FDM (fused deposition modeling), che si trova già in molti laboratori, uffici, e persino case.

Un'applicazione che potrebbe essere possibile in futuro sarebbe quella di stampare materiali per impianti biomedici che fornirebbero un'impalcatura per la crescita di nuove cellule per sostituire un organo danneggiato, e includere al suo interno sensori per monitorare l'andamento di tale crescita.

Il nuovo metodo potrebbe essere utile anche per la prototipazione di dispositivi, già una delle principali applicazioni per la stampa 3D, ma in questo caso i prototipi avrebbero effettiva funzionalità, piuttosto che essere modelli statici.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.