Una struttura 3D simile alla Torre Eiffel stampata con il metodo del ricercatore. Credito:Hensleigh et al
Le tecniche di stampa tridimensionale potrebbero essere potenzialmente utilizzate per fabbricare una varietà di oggetti con geometrie complesse, compresi i componenti elettronici. La maggior parte degli approcci di stampa 3D sviluppati finora, però, si sono semplicemente dimostrati efficaci per la produzione di materiali non funzionali, come la stampa di strutture più sofisticate, compresi i dispositivi elettronici, richiederebbe diverse fasi di produzione e procedure più impegnative.
Ricercatori dell'Università della California a Los Angeles, Virginia Tech, e l'Air Force Research Laboratory hanno recentemente ideato un nuovo approccio alla stampa 3D per produrre dispositivi elettronici realizzati con materiali diversi. Il loro approccio, presentato in un articolo pubblicato in Elettronica della natura , consente la stampa 3D di strutture elettroniche complesse in un unico passaggio.
"Gli attuali dispositivi elettronici, compresi i circuiti integrati, antenne e sensori, sono limitati a modelli di pianificatore 2D, " Xiaoyu Zheng, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "C'è, però, una crescente domanda di dispositivi o circuiti 3D non planari, array di sensori e antenne su superfici curve, o confezionati in forme e architetture 3D complesse. Però, nessun metodo esistente può raggiungere questo obiettivo in modo efficiente".
La maggior parte degli approcci di stampa 3D esistenti utilizza un processo noto come "aerosol jetting" e/o tecniche di scrittura diretta. Questi metodi comportano generalmente più passaggi di stampa, procedure di inclusione e complesse formulazioni di inchiostro.
Una struttura 3D basata su giroide 3D stampata utilizzando il metodo dei ricercatori. Credito:Hensleigh et al.
In alcuni casi, richiedono inoltre l'integrazione di più metodi di stampa, che allunga notevolmente i tempi di fabbricazione. Di conseguenza, queste tecniche sono tutt'altro che ideali per la produzione ad alta velocità di elettronica funzionale e complesse strutture 3D.
Zheng e i suoi colleghi hanno ideato un approccio che potrebbe superare i limiti di queste tecniche di stampa 3D precedentemente sviluppate. Il loro metodo deposita volumetricamente diversi materiali funzionali all'interno di layout 3D arbitrari, creare dispositivi elettronici in un unico passaggio di stampa.
"Segnaliamo una strategia per creare rapidamente dispositivi elettronici multimateriali arbitrari controllando selettivamente la posizione e il tipo di cariche superficiali su un oggetto stampato in 3D, che possono quindi essere utilizzati per depositare materiali funzionali basati sull'attrazione elettrostatica localizzata, " Zheng ha detto. "I contatti metallici possono essere depositati selettivamente in posizioni predefinite, creazione di circuiti elettronici ed elettrodi con dimensioni delle caratteristiche inferiori a 10 μm e con velocità di 26, 000 mm 2 h–1:molte volte più veloce di altre metodologie come la stampa multiprocesso (11 mm 2 h –1 ), scrittura a inchiostro (113 mm 2 h –1 ) o la stampa a getto di aerosol (5, 600 mm 2 h –1 )."
La nuova tecnica di stampa 3D introdotta da Zheng e dai suoi colleghi stampa dispositivi o materiali composti da matrici dielettriche/conduttrici 3D e schemi circuitali unici. Inoltre, può essere facilmente adattato per produrre una varietà di topologie e architetture 3D, e potrebbe quindi potenzialmente consentire la fabbricazione su larga scala di array di antenne per le comunicazioni 5G, protesi e sonde neuronali.
Un'antenna stampata usando il metodo dei ricercatori. Credito:Hensleigh et al.
Per dimostrare l'efficacia del loro metodo, i ricercatori lo hanno usato per stampare la punta delle dita artificiali per il rilevamento tattile e il rilevamento della forma, ottenendo risultati molto promettenti. Nel futuro, il loro approccio potrebbe facilitare la produzione automatizzata di prodotti compatti, dispositivi elettronici multimateriale in un breve periodo di tempo.
"Ora abbiamo in programma di espandere il volume di costruzione del nostro metodo riducendo le dimensioni delle caratteristiche, e incorporare una conduzione multipla, materiali dielettrici e funzionali nel sistema, " Zheng ha detto. "Stiamo anche lavorando con collaboratori industriali su materiali intelligenti, sensori e dispositivi all-in-one. Un'area importante su cui ci stiamo concentrando è la fabbricazione di array di antenne per le comunicazioni RF".
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