I RICERCATORI MITIGANO GLI SVANTAGGI DELLA STAMPA 3D DEL CALO SU RICHIESTA CON UN SETACCIO SUPERIDROFOBICO
I ricercatori del Center for Nanoscience and Engineering (CeNSE) presso l’ Indian Institute of Science , Bangalore, hanno sviluppato una tecnica di stampa 3D a impatto di goccia che utilizza un setaccio superidrofobico a favore di un ugello per erogare goccioline.
La maggior parte delle tecnologie di stampa di microgocce utilizza una tecnica di erogazione basata su ugelli all’interno della quale l’ugello concentra la forza applicata e determina la dimensione della goccia. Tuttavia, gli ugelli possono ostruirsi e quando si utilizzano queste tecniche possono verificarsi “gocce satellite”, che sono prodotti indesiderati del processo di formazione delle goccioline.
Secondo i ricercatori, il loro metodo mitiga questi problemi e, di conseguenza, è più ampiamente accessibile rispetto alle tecniche di stampa a gocce esistenti grazie alla sua semplicità, facilità d’uso ed economia.
Il setaccio superidrofobico
La tecnica proposta dai ricercatori si basa sull’impatto di una gocciolina quando entra in contatto con un setaccio superidrofobico. Superidrofobo si riferisce a una superficie estremamente difficile da bagnare ed è anche noto come “effetto loto” in riferimento alle foglie superidrofobiche di una pianta di loto.
Una volta rilasciata da un’altezza, l’impatto della gocciolina al contatto con il setaccio crea onde capillari, simili a un’ondulazione, che provoca la formazione di una cavità d’aria tra la gocciolina e il setaccio. Durante la fase di rinculo della gocciolina, la cavità d’aria collassa, da cui si genera una singola microgoccia. Questo processo è chiamato dai ricercatori “espulsione del rinculo”. La dimensione della microgoccia può essere controllata variando la topografia della superficie del setaccio, che altera le dinamiche di collasso della cavità.
Durante la fase di test, sono stati utilizzati setacci superidrofobici con varie aperture dei pori per esplorare le goccioline più piccole e più grandi che potevano essere generate. Il risultato dell’impatto della caduta è determinato dall’equilibrio tra la pressione dinamica della goccia che colpisce e la pressione di sfondamento del setaccio. Semplicemente, il successo dipende dal trovare il giusto equilibrio tra la forza di caduta della goccia e la quantità di forza necessaria per penetrare nel setaccio.
Rispetto alla stampa a getto d’inchiostro convenzionale, questa tecnica drop-on-demand consente la stampa di goccioline con un carico di massa elevato, la capacità di stampare particelle di grandi dimensioni e consente un’ampia gamma di volumi di goccioline stampate. Il metodo comporta anche una configurazione semplice e bassi costi operativi, sebbene i ricercatori sottolineano che la risoluzione e l’accuratezza di stampa non sono buone come alcune altre tecniche, come la stampa elettroidrodinamica (EHD).
Un altro vantaggio di questa tecnica è la riconfigurazione facile e immediata per diverse dimensioni di microdroplet; il setaccio può essere semplicemente sostituito con un altro con le aperture dei pori desiderate e il processo di stampa può continuare.
Stampa di particelle di grandi dimensioni e carico di massa elevato
La stampa di particelle di grandi dimensioni è necessaria per applicazioni quali sospensioni cellulari, microsfere funzionalizzate e strutturazione di microparticelle 3D per protesi dentali.
Nelle stampanti a getto d’inchiostro convenzionali basate su ugelli, il diametro dell’ugello limita la dimensione delle particelle che possono essere stampate. Quando si stampano particelle di grandi dimensioni, può verificarsi l’ostruzione degli ugelli, che se non risolvibile può essere costosa da sostituire. Secondo i ricercatori, il diametro dell’ugello dovrebbe essere 100 volte maggiore della dimensione delle particelle per evitare l’intasamento. Tuttavia, hanno osservato che questo rapporto si riduceva a soli quattro sostituendo l’ugello con i setacci superidrofobici, migliorando significativamente le prestazioni della stampa a goccia di particelle di grandi dimensioni.
Gli inchiostri da stampa con un carico di massa maggiore è vantaggioso in quanto riduce il numero di ristampe necessarie per ottenere spessori maggiori, tuttavia con l’aumentare della viscosità dell’inchiostro, il getto di sospensioni diventa più difficile. Utilizzando i setacci superidrofobici, i ricercatori sono stati in grado di ottenere un carico di massa massimo del 71% per una goccia con uno spessore di 16,9 µm, rispetto a circa il 45% quando si utilizza un ugello.
Stampa per applicazioni biologiche
La capacità di stampare microarray, come batteri, DNA e cellule, per l’analisi dell’espressione genica, la stampa di singole cellule, studi di cellule biologiche di base e stampe di biopolimeri, a temperatura ambiente è un’area di grande interesse all’interno della scienza biologica. La tecnica proposta dai ricercatori è stata testata per stampare piccoli volumi di campioni biologici e molecole.
La stampa a goccia singola della sospensione di globuli rossi è stata eseguita su un vetrino. L’analisi ha rivelato che all’aumentare delle concentrazioni, aumenta anche il numero di cellule per gocciolina, pur rimanendo isolate all’interno delle goccioline. Ciò ha fornito ai ricercatori volumi di campione molto piccoli che potevano essere isolati l’uno dall’altro e ridotto il tempo necessario per il pipettaggio e il posizionamento dei campioni. Lo studio è stato esteso per stampare una singola cella in una singola gocciolina, indicando il potenziale del metodo per la stampa senza intasamenti di celle di grandi dimensioni per una varietà di applicazioni.
Per realizzare la possibilità di stampare bioink viscoso per applicazioni di stampa 3D, è stato utilizzato l’acido poliacrilico come liquido per la stampa di modelli. Una volta indurito, il risultato è stato un micropost polimerico delle dimensioni di un micron.
Stampa per applicazioni elettroniche
La tecnica di stampa drop-on-demand del ricercatore può essere applicata anche alla stampa di materiali conduttori di elettricità per applicazioni elettroniche flessibili. Le linee conduttive sono state stampate utilizzando soluzioni di inchiostro d’argento, inizialmente ottimizzate per una buona conduttività con stampa a strato singolo, e polistirene solfonato (PEDOT: PSS), su un substrato di vetro per creare un diodo.
I ricercatori hanno anche stampato le connessioni per un LED su un nastro flessibile, lettere su un substrato flessibile e pilastri in diodo di zirconio stampati in 3D utilizzando setacci con diverse aperture dei pori. Il processo di stampa può anche essere ridimensionato attraverso più impatti di caduta su un unico setaccio, il vantaggio di una stampa su grandi aree facile da maneggiare ed economica per applicazioni elettroniche.
Vantaggi della stampa drop-on-demand utilizzando setacci superidrofobici
Tutto sommato, lo studio presenta una tecnica di stampa 3D drop-on-demand con un design relativamente semplice e, quindi, un basso costo di installazione. Come accennato in precedenza, l’uso di un setaccio superidrofobico al posto di un ugello complesso riduce ulteriormente i costi operativi di questo metodo, eliminando il rischio di intasamento e la produzione di cadute satellitari indesiderate. Inoltre, il metodo non richiede alcuna forza elettrica, magnetica o ondulatoria, a parte una pompa che espelle l’inchiostro.
La versatilità della tecnica la rende anche adatta per un’ampia varietà di soluzioni di stampa all’interno di diverse applicazioni, come la stampa 3D basata su ceramica per protesi dentali e la modellazione architettonica, l’erogazione di campioni biologici, la stampa 3D di organi e la stampa per applicazioni elettroniche.
Maggiori informazioni sullo studio possono essere trovate nell’articolo “ Drop Impact Printing ” pubblicato sulla rivista Nature. Lo studio è coautore di C. Modak, A. Kumar, A. Tripathy e P. Sen.
Progressi nella stampa 3D drop-on-demand
Solo lo scorso anno ha visto diverse innovazioni nel campo della produzione additiva drop-on-demand, in particolare nella stampa 3D di tessuti sintetici e robotica morbida.