Il Direct Ink Writing in Soluzione ovvero Elettronica Biodegradabile in 3D, i Componenti Conduttivi da Cellulosa e Grafite

Elettronica sostenibile stampata in 3D: materiali e metodi
Un gruppo di ricerca della Singapore University of Technology and Design, coordinato dall’Associate Professor Michinao Hashimoto, ha sviluppato una tecnica di stampa 3D in grado di produrre componenti elettronici biodegradabili impiegando una miscela di acetato di cellulosa e particelle di grafite. L’obiettivo è ridurre l’impatto ambientale dei dispositivi elettronici, che tradizionalmente si basano su plastiche non degradabili e metalli difficili da riciclare.

Soluzione ink‑jet a temperatura ambiente
Al posto di utilizzare processi termici, il team ha scelto la tecnologia di direct ink writing, che opera a temperatura ambiente. Il componente fondamentale è un inchiostro creato disciogliendo l’acetato di cellulosa in acetone — solvente a bassa tossicità e con rapido degrado naturale — e caricandolo con grafite in polvere, lo stesso materiale che si trova nella mina di una matita. Inizialmente, l’inchiostro presentava eccessiva diffusione sulla superficie di stampa, rendendo imprecise le strutture. La svolta è arrivata stampando direttamente in un bagno d’acqua: l’immersione nell’acqua estrae rapidamente l’acetone, provocando la precipitazione immediata delle fibre di cellulosa e la solidificazione istantanea dello strato depositato. In questo modo si ottengono geometrie nitide e fedeli al progetto.

Alta conducibilità e supporti a gel
La percentuale di grafite nella formula arriva fino al 60 % in peso, valore ben superiore a quanto solitamente implementato nei materiali conduttivi per stampa 3D. Ciò conferisce alle parti finite una resistenza elettrica sufficiente ad alimentare piccoli dispositivi, come LED e sensori flessibili. Per realizzare elementi sospesi o con sporgenze, i ricercatori hanno impiegato un gel di supporto: durante l’estrusione il filamento di inchiostro viene depositato al suo interno, mantenendo la forma anche in assenza di supporti tradizionali da rimuovere successivamente.

Contributi dalla letteratura specialistica
Un approfondimento su TechXplore descrive l’articolo di Arunraj S/O Chidambaram e collaboratori, pubblicato su ACS Applied Engineering Materials, in cui si illustra il processo di immersion precipitation applicato a diversi polimeri caricati con riempitivi conduttivi. Gli autori, oltre a confermare la biodegradabilità e la semplicità del metodo, hanno verificato la stabilità elettrica dei componenti nei test di ciclo e previsto l’adattamento della tecnica a materiali quali polilattide e nanofibre di cellulosa.

Prospettive applicative
Le strutture ottenibili con questa tecnica trovano impiego in settori come:

• Wearable e dispositivi medici: superfici flessibili e monouso, dotate di tracciamento dei parametri vitali e smaltibili senza inquinare;

• Elettronica di consumo a basso impatto: componenti per sensori ambientali, packaging smart e etichette intelligenti destinate a entrare nel flusso di riciclo organico;

• Educazione e prototipazione rapida: laboratori universitari e maker space possono accedere a una soluzione a basso costo per sperimentare circuiti biodegradabili.

Ruolo delle aziende e collaborazioni
Oltre a SUTD, nella catena del valore si inseriscono fornitori di materie prime come Eastman Chemical (produttrice di acetato di cellulosa) e società specializzate in grafite micronizzata, nonché produttori di stampanti 3D compatibili con tecnologie DIW. Si sta valutando il coinvolgimento di partner industriali per trasferimento tecnologico e validazione in ambiti regolamentati, quali dispositivi medici e packaging alimentare.

Sfide e sviluppi futuri
I ricercatori puntano a:

1. Scalare la produzione di inchiostri con viscosità controllata e batch più grandi;

2. Verificare la durabilità dei componenti sotto sollecitazioni meccaniche e termiche;

3. Integrare sensori attivi, inserendo nanoparticelle metalliche o polimeri a memoria di forma per realizzare sistemi multifunzionali.