Tecnica Innovativa per la Fabbricazione di Circuiti 3D Avanzati da Parte dei Ricercatori NUS
CHARM3D: Nuovi Orizzonti per la Stampa 3D di Strutture Autonome
A differenza delle tradizionali schede a circuiti stampati, che sono piatte, i circuiti 3D permettono di impilare e integrare componenti in verticale, riducendo drasticamente lo spazio richiesto dai dispositivi. Un team di ricercatori dell’Università Nazionale di Singapore (NUS) ha sviluppato una tecnica all’avanguardia, chiamata CHARM3D, per fabbricare circuiti elettronici tridimensionali auto-riparanti. Questa nuova tecnica consente la stampa 3D di strutture metalliche autonome senza necessità di materiali di supporto o pressioni esterne.
Il team di ricerca, guidato dal Professore Associato Benjamin Tee del Dipartimento di Scienza dei Materiali e Ingegneria del NUS College of Design and Engineering, ha utilizzato il metallo di Field per dimostrare come CHARM3D possa fabbricare una vasta gamma di dispositivi elettronici, consentendo design più compatti in dispositivi come sensori indossabili, sistemi di comunicazione wireless e metamateriali elettromagnetici.
In campo sanitario, CHARM3D facilita lo sviluppo di dispositivi di monitoraggio dei segni vitali senza contatto, migliorando il comfort del paziente e permettendo un monitoraggio continuo. In ambito delle comunicazioni, ottimizza le prestazioni delle antenne 3D, migliorando i sistemi di comunicazione, l’imaging medico e le applicazioni di sicurezza.
Una Nuova Metodologia per la Produzione di Circuiti 3D
I circuiti elettronici tridimensionali sono sempre più fondamentali per l’elettronica moderna, migliorando funzionalità e miniaturizzazione. Ad esempio, le architetture 3D, con le loro ampie superfici efficaci, migliorano la capacità delle batterie e la sensibilità dei sensori.
La tecnica di scrittura diretta con inchiostro (DIW), attualmente utilizzata per fabbricare circuiti 3D, presenta notevoli svantaggi. I suoi inchiostri compositi hanno bassa conducibilità elettrica e richiedono materiali di supporto per la solidificazione, oltre ad essere troppo viscosi, limitando la velocità di stampa.
Il metallo di Field, una lega eutettica di indio, bismuto e stagno, rappresenta una valida alternativa per la stampa 3D. Con un punto di fusione di soli 62 gradi Celsius, elevata conducibilità elettrica e bassa tossicità, il metallo di Field si solidifica rapidamente, eliminando la necessità di materiali di supporto e pressioni esterne.
La tecnica CHARM3D sfrutta la bassa temperatura di fusione del metallo di Field, utilizzando la tensione tra il metallo fuso in un ugello e il bordo anteriore della parte stampata per creare strutture uniformi e lisce con larghezze regolabili da 100 a 300 micron. Questo metodo evita fenomeni come la formazione di gocce e superfici irregolari, tipici della DIW tradizionale.
Rispetto alla DIW convenzionale, CHARM3D offre velocità di stampa fino a 100 millimetri al secondo e risoluzioni più elevate, garantendo maggiore dettaglio e precisione nella fabbricazione dei circuiti. La tecnica permette la creazione di strutture 3D complesse, come lettere verticali, strutture cubiche e eliche scalabili, che mantengono eccellenti proprietà strutturali e capacità auto-riparanti.
“Offrendo un approccio più veloce e semplice per la stampa 3D di metalli, CHARM3D promette di rivoluzionare la produzione industriale di circuiti elettronici intricati,” ha affermato il Prof. Associato Tee.
Applicazioni Estese
I ricercatori hanno stampato con successo un circuito 3D per sensori di temperatura indossabili senza batteria, antenne per il monitoraggio dei segni vitali e metamateriali per la manipolazione delle onde elettromagnetiche, dimostrando la varietà di applicazioni possibili con CHARM3D.
L’attrezzatura ospedaliera tradizionale, come elettrocardiogrammi e pulsossimetri, richiede contatto con la pelle, causando disagio e rischio di infezioni. Grazie a CHARM3D, i sensori senza contatto possono essere integrati in abbigliamento intelligente e antenne, fornendo monitoraggio continuo e preciso della salute in ospedali, strutture per anziani o ambienti domestici.
Inoltre, schiere di antenne 3D o sensori metamateriali elettromagnetici fabbricati con CHARM3D possono ottimizzare le applicazioni di rilevamento e elaborazione dei segnali, migliorando i rapporti segnale-rumore e le larghezze di banda. La tecnica apre la strada alla creazione di antenne specializzate per comunicazioni mirate, consentendo un imaging medico più accurato e applicazioni di sicurezza avanzate.
Prossimi Passi
Il team di ricerca prevede di estendere questa tecnica ad altri tipi di metalli e applicazioni strutturali. Sono inoltre alla ricerca di opportunità per commercializzare questo approccio unico alla stampa dei metalli.
Rivista: Nature Electronics
DOI: 10.1038/s41928-024-01207-y
Titolo dell’Articolo: Tension-driven three-dimensional printing of free-standing Field’s metal structures
