Un nuovo paradigma per compositi tramite stampa volumetrica e infusioni
Ricercatori di EPFL e dell’Università di Uppsala hanno introdotto un metodo che trasforma parti 3D trasparenti, ottenute con tecniche di stampa volumetrica, in componenti compositi funzionali grazie all’infusione di idrogel e alla sintesi in situ di nanoparticelle. Il lavoro, pubblicato su ACS Materials Letters, supera il vincolo che fino ad ora ha limitato la stampa volumetrica a resine prive di cariche, aprendo la strada a materiali ibridi con elevate frazioni di riempitivo.
Il vincolo della trasparenza e l’approccio Xolography
La stampa volumetrica (VAM) sfrutta proiezioni luminose all’interno di un serbatoio rotante per solidificare l’intero volume di resina in un unico passaggio, evitando la stratificazione tipica di SLA o DLP. Affinché la luce attraversi uniformemente il liquido, la resina deve essere priva di particelle che disperdono i fasci luminosi. Per aggirare questa limitazione, il team ha utilizzato Xolography – una tecnologia sviluppata da Xolo – che basa la polimerizzazione su intersezioni puntiformi tra due fasci di luce. In questo modo si stampa un idrogel completamente trasparente, preparazione ideale per le fasi successive di modifica chimica.
Dalla stampa all’infusione di cariche
Terminata la polimerizzazione, i pezzi in idrogel vengono immersi in soluzioni contenenti sali metallici. Nel caso delle strutture magnetiche, si impiegano sali di ferro e ammoniaca per far precipitare ossidi di ferro direttamente nella matrice polimerica, raggiungendo concentrazioni fino al 65 % in peso. Per ottenere materiali conduttivi, si utilizza nitrato d’argento e un agente riducente, innescando la formazione di nanoparticelle d’argento entro la struttura del gel. Il processo post‑stampa consente di mantenere inalterate la risoluzione geometrica e la finitura superficiale iniziali.
Proprietà modulabili e prestazioni
Parametri come temperatura, tempo di immersione e numero di cicli di reazione influenzano la quantità di materiale depositato e le qualità risultanti. Un aumento della temperatura migliora la magnetizzazione, mentre un’eccessiva esposizione chimica può comprometterne la stabilità meccanica. Questo compromesso evidenzia come sia possibile bilanciare resistenza strutturale e funzionalità specifiche, ottenendo parti con comportamento magnetico, elettrico o meccanico differenziato.
Strutture multimateriali e dimostratori applicativi
Il gruppo ha realizzato dispositivi dimostrativi in un unico pezzo senza necessità di assemblaggio:
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Un pendolo con giunto magnetico ruotabile tramite campo esterno, utile per sensori di posizione.
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Una molla “programmabile” in cui aree rinforzate rispondono diversamente a forze esterne, proponendo applicazioni in soft robotics.
Il controllo spaziale dell’infusione permette di creare zone funzionali integrate, aprendo scenari per dispositivi interattivi e strutture smart.
Vantaggi lungo la pipeline di sviluppo
Invece di dover mettere a punto resine diverse per ogni nuovo composito, questo approccio sfrutta una singola formulazione di idrogel come piattaforma flessibile. L’infusione post‑stampa semplifica lo sviluppo di materiali differenti, riduce i tempi di ricerca e minimizza la sperimentazione sui processi di polimerizzazione.
Prospettive e sfide tecniche
L’attuale limite della degradazione del gel dopo molteplici cicli di infusione evidenzia la necessità di resine più stabili dal punto di vista chimico. Sostituire l’idrogel con polimeri termoindurenti più robusti potrebbe estendere l’applicazione a componenti soggetti a sollecitazioni elevate. Inoltre, la compatibilità con altre piattaforme VAM trasparenti, come la litografia multiphoton, suggerisce che il metodo possa diventare uno standard per i compositi 3D volumetrici.
Contesto nell’evoluzione della stampa volumetrica
Negli ultimi mesi EPFL ha presentato un sistema basato su microspecchi MEMS per migliorare risoluzione e rendimento energetico della stampa volumetrica, mentre Xolo ha lanciato la stampante commerciale Xube², estendendo il mercato delle applicazioni soft e ottiche. Parallelamente, il National Research Council Canada ha messo a punto un controllo automatico dell’esposizione che rende la VAM più affidabile con resine riutilizzabili. Il nuovo protocollo di infusione idrogel si inserisce in questo filone di innovazioni, fornendo una soluzione pratica per integrare funzionalità composite in processi volumetrici.
