La stampa 3D entra nell’elettronica: circuiti, sensori e batterie diventano tridimensionali
La manifattura additiva potrebbe progressivamente modificare non soltanto il modo in cui vengono prodotti gli involucri dei dispositivi elettronici, ma anche la struttura interna degli stessi dispositivi. Circuiti, sensori, antenne, elettrodi e sistemi di accumulo dell’energia possono infatti essere integrati all’interno di geometrie tridimensionali, superando almeno in alcune applicazioni il modello tradizionale basato su componenti elettronici prevalentemente piatti.
È questo uno dei principali risultati che emerge da un ampio studio pubblicato l’11 agosto 2026 su The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, rivista di Springer Nature.
Il lavoro è stato realizzato da ricercatori della National Taipei University of Technology di Taiwan, della Guilin Medical University in Cina e della Flinders University in Australia. Il gruppo comprende Bayu Wiro Karuniawan, Chinmai Bhat, Jianghui Dong, Liping Wang, Maziar Ramezani e Cho-Pei Jiang.
Gli autori hanno analizzato materiali, tecnologie, applicazioni e limiti industriali dell’elettronica prodotta attraverso additive manufacturing, affiancando alla revisione della letteratura un’analisi bibliometrica di 465 pubblicazioni scientifiche indicizzate nel database Scopus.
Il quadro che emerge mostra un settore nel quale stampa 3D ed elettronica stanno progressivamente convergendo.
Non più soltanto un contenitore stampato in 3D
Per molti anni il rapporto tra stampa 3D ed elettronica è stato relativamente semplice. Una stampante produceva l’involucro, un supporto, una struttura meccanica oppure un prototipo e successivamente venivano installati circuiti stampati, sensori, cablaggi e batterie realizzati con processi convenzionali.
La prospettiva analizzata dai ricercatori è differente.
L’obiettivo è utilizzare tecnologie additive per costruire direttamente nello stesso oggetto materiali strutturali, isolanti, conduttivi e, dove possibile, materiali elettricamente attivi.
Questo significa immaginare dispositivi nei quali una pista conduttiva non debba necessariamente trovarsi sulla superficie piatta di un circuito stampato, ma possa seguire la forma tridimensionale del prodotto.
Un sensore potrebbe essere incorporato direttamente nella parete di un componente. Un’antenna potrebbe seguire una superficie curva. Gli elettrodi di una batteria potrebbero assumere strutture tridimensionali progettate specificamente per sfruttare meglio lo spazio disponibile.
In prospettiva, alcune funzioni che oggi richiedono componenti separati potrebbero diventare parte della struttura fisica del prodotto.
Perché l’elettronica tradizionale rimane prevalentemente piatta
Il settore elettronico è stato costruito attorno a processi industriali estremamente efficienti nella realizzazione di strutture planari.
Circuiti stampati, semiconduttori e molti componenti elettronici vengono prodotti sovrapponendo strati sottili di materiali differenti. Questo sistema ha raggiunto livelli di precisione, velocità e affidabilità che la manifattura additiva non può ancora eguagliare nella produzione di grandi volumi.
Il limite emerge però quando la geometria del dispositivo diventa parte della sua funzione.
Un circuito stampato convenzionale deve generalmente essere inserito all’interno di un prodotto. Con la produzione additiva diventa invece possibile progettare il circuito insieme alla struttura meccanica.
Questa differenza potrebbe essere importante per dispositivi indossabili, elettronica medicale, sensori miniaturizzati, robotica, applicazioni aerospaziali e Internet of Things.
Cinque famiglie di tecnologie additive per l’elettronica
Lo studio prende in considerazione cinque principali famiglie di processi: material extrusion, vat photopolymerization, material jetting, binder jetting e powder bed fusion.
Non esiste una tecnologia che risulti adatta a tutte le applicazioni.
La material extrusion, categoria alla quale appartengono FDM e FFF, offre un sistema relativamente semplice per produrre strutture polimeriche e utilizzare materiali compositi conduttivi.
Accanto all’estrusione termoplastica si sta sviluppando la Direct Ink Writing (DIW), nella quale vengono depositati inchiostri o paste funzionali attraverso un ugello.
Questi materiali possono contenere grafene, nanotubi di carbonio, particelle metalliche, materiali elettrochimicamente attivi oppure altri componenti necessari per realizzare sensori ed elettrodi.
Il vantaggio è la possibilità di controllare non soltanto la forma dell’oggetto, ma anche la posizione delle sue proprietà funzionali.
La fotopolimerizzazione aumenta la precisione
Tecnologie come SLA e Digital Light Processing possono raggiungere risoluzioni superiori rispetto alla normale estrusione.
Lo studio cita, per esempio, strutture realizzate tramite DLP con caratteristiche nell’ordine dei 150 micrometri.
In una delle applicazioni analizzate, la tecnologia è stata utilizzata per produrre idrogel conduttivi destinati a sensori flessibili di pressione e deformazione.
Tra i materiali impiegati figurano poliacrilammide e PEGDA, mentre per alcuni strati dielettrici è stato utilizzato il materiale elastomerico VHB 4905 di 3M.
Questi esempi mostrano come la stampa 3D possa essere utilizzata non soltanto per creare geometrie, ma per assegnare caratteristiche elettriche e meccaniche differenti alle diverse aree di un dispositivo.
Material jetting e inchiostri conduttivi
Un altro settore particolarmente interessante è il material jetting.
Il principio ricorda quello di una stampante a getto d’inchiostro, con la differenza che vengono depositati materiali funzionali invece di normali pigmenti.
Gli inchiostri possono contenere nanoparticelle di argento, rame, oro oppure materiali a base di carbonio.
La deposizione estremamente controllata permette di creare piste conduttive e strutture elettroniche direttamente sopra substrati flessibili o tridimensionali.
Uno degli esempi riportati nello studio riguarda elettrodi per elettrocardiografia realizzati utilizzando un inchiostro di nanoparticelle d’oro NPG-J prodotto da Harima.
La deposizione è stata effettuata utilizzando una Fujifilm Dimatix DMP-2800, piattaforma ampiamente impiegata nella ricerca sulla stampa funzionale.
Dopo il trattamento termico, le piste raggiungevano una conduttività di 7,14 milioni di siemens per metro.
Il valore corrisponde però soltanto a circa il 16% della conduttività dell’oro massivo.
È un dato importante perché mostra contemporaneamente la possibilità e il limite delle tecnologie attuali.
Stampare un conduttore è possibile. Ottenere le stesse prestazioni del materiale tradizionale è molto più difficile.
Circuiti che possono seguire la forma dell’oggetto
Uno dei possibili vantaggi industriali deriva dall’abbandono della geometria planare.
Le piste elettriche possono essere depositate sopra superfici curve oppure integrate in componenti tridimensionali.
Un metodo ibrido può, per esempio, utilizzare Selective Laser Sintering per produrre il supporto polimerico e successivamente aerosol jet printing o serigrafia per realizzare collegamenti elettrici e sensori.
In questo modo la superficie del prodotto diventa parte del circuito.
La conseguenza potrebbe essere una riduzione del numero di componenti e delle operazioni di assemblaggio.
Un involucro potrebbe contemporaneamente essere struttura meccanica, supporto elettronico e sede dei sensori.
Anche antenne e componenti RF diventano tridimensionali
La possibilità di controllare la geometria in tre dimensioni interessa anche antenne e dispositivi a radiofrequenza.
Lo studio analizza strutture RF pieghevoli, metasuperfici, antenne integrate e sistemi nei quali vengono combinate stereolitografia e stampa inkjet.
In uno degli esempi citati, una metasuperficie comprendeva sette strati metallici integrati, con collegamenti verticali interni.
Sono geometrie particolarmente complesse da ottenere attraverso normali circuiti stampati bidimensionali.
Per telecomunicazioni, radar, sistemi satellitari e dispositivi 5G, la forma stessa dell’antenna influenza direttamente le prestazioni. La manifattura additiva consente quindi di progettare contemporaneamente la struttura meccanica e quella elettromagnetica.
Il caso delle batterie: utilizzare anche la terza dimensione
Uno degli aspetti più interessanti riguarda l’accumulo energetico.
Una batteria convenzionale deve contenere una determinata quantità di materiale attivo per immagazzinare energia.
Nei dispositivi estremamente piccoli, aumentare la superficie occupata dalla batteria non è sempre possibile.
La stampa 3D permette di affrontare il problema in un modo differente: invece di allargare l’elettrodo, è possibile svilupparlo verticalmente.
Elettrodi tridimensionali possono aumentare la quantità di materiale attivo presente in una determinata superficie e contemporaneamente creare canali che facilitano il movimento degli ioni e dell’elettrolita.
Il problema non consiste quindi semplicemente nel creare una batteria dalla forma insolita. L’architettura tridimensionale può diventare parte del funzionamento elettrochimico.
Dalle batterie al litio ai supercapacitori
La ricerca analizzata da Springer Nature prende in considerazione diverse tecnologie di accumulo.
Sono stati sperimentati componenti stampati per batterie agli ioni di litio, litio-zolfo, litio-ossigeno e sodio-ion, oltre a differenti configurazioni di supercapacitori.
Nel caso delle batterie litio-zolfo, strutture reticolari di microelettrodi in nanotubi di carbonio possono facilitare l’accesso dell’elettrolita e contribuire a gestire le variazioni volumetriche dello zolfo durante i cicli di carica e scarica.
Per altre batterie sono state sviluppate strutture porose che aumentano la superficie disponibile per le reazioni elettrochimiche.
La Direct Ink Writing permette inoltre di depositare materiali per anodo e catodo nella forma richiesta dal dispositivo, anziché partire obbligatoriamente da fogli o elettrodi planari.
I microsupercapacitori mostrano il potenziale della geometria 3D
Altri lavori pubblicati nel 2026 rafforzano questa direzione.
Una ricerca apparsa sul Chemical Engineering Journal ha utilizzato Direct Ink Writing per produrre microsupercapacitori tridimensionali flessibili.
L’architettura degli elettrodi è stata progettata per affrontare uno dei problemi tipici di questi dispositivi: aumentando lo spessore dell’elettrodo cresce la quantità di materiale disponibile per immagazzinare energia, ma aumentano anche le difficoltà nel trasporto delle cariche.
Nel dispositivo studiato, la struttura tridimensionale ha permesso di ottenere una capacità areale di 48,6 mF/cm² e una densità energetica areale di 3,25 µWh/cm².
Questi numeri non significano che i microsupercapacitori siano pronti a sostituire le normali batterie. Mostrano però che la progettazione geometrica degli elettrodi può diventare uno strumento per modificare le prestazioni elettrochimiche.
Nel 2026 anche le microbatterie litio-zolfo utilizzano strutture stampate
Un altro lavoro pubblicato nel maggio 2026 su Nano-Micro Letters ha utilizzato Direct Ink Writing per produrre catodi tridimensionali a base di poliacrilonitrile solforato destinati a microbatterie litio-zolfo.
La struttura stampata consentiva un carico di materiale attivo fino a 37,1 mg/cm².
Il prototipo ha raggiunto una capacità areale di 18,1 mAh/cm² e una densità energetica areale di 30,7 mWh/cm².
La rilevanza del risultato non riguarda soltanto il valore energetico. Mostra come l’architettura interna di una batteria possa essere progettata digitalmente insieme alla sua composizione chimica.
La stampa 3D diventa quindi uno strumento di ingegneria elettrochimica e non soltanto una tecnica per modificare l’aspetto esterno della cella.
Una batteria potrebbe adattarsi al dispositivo anziché il contrario
Questo concetto potrebbe cambiare uno dei vincoli tradizionali della progettazione elettronica.
Oggi chi sviluppa un prodotto deve generalmente riservare uno spazio di forma definita alla batteria: cilindrico, rettangolare oppure a bottone.
Con tecnologie additive sufficientemente mature, il sistema di accumulo potrebbe invece essere progettato attorno agli altri componenti.
Una microbatteria potrebbe occupare spazi liberi con geometrie irregolari oppure essere integrata direttamente nella struttura portante.
Per sensori autonomi, dispositivi medici, wearable e apparecchi IoT estremamente compatti, la possibilità di sfruttare volumi che oggi rimangono inutilizzati potrebbe essere più importante dell’aumento assoluto della capacità della batteria.
Il problema della conduttività
Il passaggio dal laboratorio alla produzione industriale rimane però complesso.
Uno degli ostacoli principali riguarda la conduttività dei materiali stampabili.
Argento, rame e oro massivi presentano caratteristiche elettriche molto elevate. Una volta trasformati in inchiostri contenenti nanoparticelle, solventi, leganti e altri additivi, le prestazioni possono diminuire sensibilmente.
Dopo la stampa sono inoltre necessari processi di sinterizzazione o trattamento termico che devono essere compatibili con il substrato.
Una temperatura adeguata per sinterizzare particelle metalliche potrebbe, per esempio, danneggiare il polimero sopra il quale sono state depositate.
Il problema dell’elettronica additiva è quindi profondamente multimateriale: non basta trovare un buon conduttore o un buon isolante, perché tutti i materiali devono poter essere lavorati insieme.
Ugelli, viscosità e adesione tra gli strati
Anche il processo di deposizione presenta difficoltà.
Gli inchiostri contenenti nanoparticelle possono provocare l’ostruzione degli ugelli. La viscosità deve rimanere entro intervalli relativamente precisi e la bagnabilità della superficie determina la forma che assume la goccia depositata.
Una pista conduttiva troppo larga può invadere aree adiacenti. Una troppo stretta può interrompersi.
Anche l’adesione tra materiali differenti è critica.
In un normale componente stampato in 3D un difetto di adesione può causare una debolezza meccanica. In un circuito elettronico può contemporaneamente modificare resistenza elettrica, comportamento termico e affidabilità del collegamento.
Il vantaggio della stampa multimateriale
Il vero obiettivo di lungo periodo è la produzione multimateriale.
Una singola piattaforma potrebbe depositare materiale strutturale, isolante, conduttivo e funzionale seguendo un unico modello digitale.
In questo scenario non si stamperebbe più semplicemente un oggetto contenente elettronica.
Si stamperebbe direttamente un oggetto elettronico.
Un sensore potrebbe essere formato contemporaneamente alla struttura che deve monitorare. Circuiti e connessioni potrebbero attraversare il volume del componente. Antenne e sistemi di accumulo potrebbero essere distribuiti nelle zone più convenienti della geometria.
La riduzione delle operazioni di assemblaggio rappresenterebbe uno dei principali vantaggi.
Il limite industriale resta la produttività
Sul piano della produzione di massa, l’elettronica convenzionale mantiene però un vantaggio enorme.
Le industrie dei semiconduttori e dei circuiti stampati possono produrre milioni di componenti con processi estremamente veloci, standardizzati e ripetibili.
La manifattura additiva elettronica si trova invece prevalentemente in una fase compresa tra prototipazione avanzata e produzione specializzata.
Gli autori dello studio indicano come principali ostacoli costo, throughput, affidabilità a lungo termine, qualificazione e standardizzazione.
Per questa ragione le applicazioni più plausibili non sono quelle nelle quali occorre produrre milioni di circuiti identici al minor costo possibile.
La stampa 3D trova maggiore spazio quando la geometria tridimensionale, la personalizzazione, la produzione di piccoli lotti o l’integrazione di differenti funzioni compensano una produttività inferiore.
Medicale, wearable e IoT tra i mercati più interessanti
L’elettronica indossabile rappresenta un esempio significativo.
Un sensore progettato per aderire al corpo umano deve essere sottile, flessibile e capace di seguire superfici curve.
La possibilità di produrre direttamente elettrodi e sensori sopra materiali flessibili può ridurre la necessità di circuiti rigidi.
Nel settore medicale potrebbero essere sviluppati dispositivi personalizzati sulla geometria del paziente.
Per l’Internet of Things, invece, l’interesse riguarda soprattutto sensori autonomi estremamente piccoli e dispositivi distribuiti che combinano elettronica, comunicazione wireless e alimentazione.
In queste applicazioni qualche millimetro cubo risparmiato può avere un’importanza significativa.
Dalla stampa 3D alla stampa 4D
Lo studio guarda anche alla cosiddetta stampa 4D, nella quale materiali intelligenti modificano forma o proprietà in risposta a temperatura, luce, umidità, campo elettrico o altri stimoli.
Polimeri a memoria di forma, idrogel ed elastomeri a cristalli liquidi potrebbero permettere di realizzare dispositivi elettronici capaci di riconfigurarsi.
Un’antenna potrebbe modificare la propria geometria e quindi le proprie caratteristiche di trasmissione. Un sensore potrebbe adattarsi alla superficie sulla quale viene applicato. Un piccolo attuatore potrebbe integrare struttura, circuito e capacità di movimento.
Il passaggio dal dispositivo statico al dispositivo fisicamente riconfigurabile amplia ulteriormente il ruolo della manifattura additiva.
Intelligenza artificiale e progettazione di dispositivi tridimensionali
Un’altra direzione riguarda l’impiego dell’intelligenza artificiale.
Quando circuiti, strutture meccaniche, materiali e funzioni elettromagnetiche vengono progettati contemporaneamente in tre dimensioni, lo spazio delle possibili configurazioni cresce enormemente.
Sistemi di ottimizzazione possono essere utilizzati per determinare il percorso migliore per una pista elettrica, distribuire il materiale dell’elettrodo, ottimizzare un’antenna oppure modificare automaticamente la geometria sulla base delle prestazioni richieste.
L’intelligenza artificiale può inoltre essere utilizzata nel controllo del processo, nell’individuazione dei difetti e nell’ottimizzazione dei parametri di stampa.
La questione della standardizzazione
Per applicazioni medicali, aerospaziali o automotive non basta dimostrare che un dispositivo funziona.
Deve essere possibile stabilire che funzionerà nello stesso modo dopo migliaia di cicli, variazioni di temperatura, vibrazioni, umidità e invecchiamento dei materiali.
Gli standard generali dell’additive manufacturing, come quelli della famiglia ISO/ASTM 52900, costituiscono una base, ma l’elettronica additiva richiede protocolli specifici per verificare proprietà elettriche, meccaniche ed elettromagnetiche.
Senza questi strumenti la distanza tra un prototipo di laboratorio e un prodotto qualificato rimane considerevole.
Un’elettronica progettata direttamente nello spazio tridimensionale
Il risultato più interessante della ricerca non consiste quindi nell’idea che le stampanti 3D sostituiranno le fabbriche di semiconduttori o le linee per la produzione dei PCB.
Lo scenario è differente.
La manifattura additiva introduce la possibilità di progettare l’elettronica nello stesso spazio tridimensionale nel quale viene progettato il prodotto.
In alcune applicazioni il circuito potrebbe non essere più un elemento da inserire successivamente nell’oggetto, ma una parte dell’oggetto stesso.
Lo stesso principio vale per sensori, antenne e sistemi di accumulo energetico.
Per batterie e supercapacitori questo significa anche sfruttare la geometria tridimensionale per distribuire meglio il materiale attivo, aumentare le superfici di reazione e utilizzare volumi che i tradizionali elettrodi planari non riescono a occupare efficacemente.
La sfida dei prossimi anni sarà trasformare queste possibilità geometriche in processi affidabili, ripetibili e abbastanza economici da uscire dai laboratori.
La direzione indicata dalle 465 pubblicazioni analizzate è però chiara: stampa 3D ed elettronica stanno diventando due discipline sempre meno separate, con l’obiettivo di arrivare a dispositivi nei quali struttura, circuito e funzione vengano progettati e prodotti come un unico sistema.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
