Introduzione all’impatto della stampa 3D sul settore energetico
Un’analisi condotta da ricercatori della Seoul National University e pubblicata su Microsystems & Nanoengineering descrive come la produzione additiva stia ridefinendo la progettazione e la realizzazione di dispositivi per generazione, conversione e accumulo dell’energia. Superando i limiti imposti dalle tecniche sottrattive—che restringono compatibilità dei materiali e complessità geometrica—le tecnologie additive consentono controllo strutturale su più scale, prototipazione rapida e produzione scalabile, dal macro al nano.
Generazione di energia: soluzioni ispirate alla natura
Per le celle a combustibile a membrana polimerica (PEFC), un gruppo guidato da Son et al. ha realizzato canali di flusso stampati con una configurazione ispirata ai polmoni: la superficie interna, ottimizzata per la distribuzione del gas, ha permesso un incremento della densità di potenza del 30 %. In parallelo, strutture in titanio riprodotte con laser powder bed fusion (LPBF) richiamano l’architettura ossea e migliorano la diffusione del gas del 15 %. Nel solare, Direct Ink Writing (DIW) ha prodotto elettrodi in rete d’argento con efficienze di conversione fino al 26,5 %, mentre design pieghevoli realizzati con FDM supportano pannelli fotovoltaici indossabili e flessibili.
Conversione energetica: metamateriali e nanogeneratori
Nel comparto piezoelettrico, la Digital Light Processing (DLP) ha permesso la stampa di metamateriali programabili in anisotropia senza necessità di polarizzazione post-stampa. Con DIW e FDM, sono stati sviluppati triboelectric nanogenerator (TENG) dotati di villi gerarchici, capaci di aumentare la potenza generata per urto meccanico. Per la conversione termoelettrica, forme conformate stampate in 3D si adattano a superfici curve—come tubi di scarico o segmenti di carcassa umana—migliorando il contatto termico. Strutture core-shell microlattici e architetture a base di nanotubi di carbonio (CNT) hanno raggiunto un fattore di merito (ZT) di 1,09, superando molti generatori convenzionali.
Accumulo di energia: batterie e supercondensatori intelligenti
Le batterie stampate con DIW e DLP stanno guadagnando terreno grazie a elettrodi porosi che aumentano l’area attiva. Con SLA si sono ottenute capacità areali fino a 3,6 Ah/g, mentre anodi in micro-lattice di zinco offrono prestazioni prive di dendriti. Per i supercondensatori, la stampa di tralicci ottet-truss in abbinamento ad aerogel di grafene ha permesso di raggiungere capacità areali di 207,9 F/cm², abbinando elevata resilienza meccanica e alta densità di carica. Alcuni prototipi integrano le celle direttamente in elementi strutturali, aprendo la via a dispositivi multifunzionali che svolgono insieme ruoli portanti e di accumulo.
Tecnologie emergenti e prospettive industriali
Volumetric 3D printing, basato su proiezioni holografiche, consente la fabbricazione quasi istantanea di geometrie complesse ideali per microfluidica e celle a combustibile. L’estrusione a pellet, promossa da aziende come Essentium e BigRep, abbassa i costi per componenti di grandi dimensioni, utile per custodie di batterie o supporti per supercondensatori. La blended FDM (b-FDM) regola gradienti di materiale garantendo proprietà elettriche e termiche differenziate all’interno dello stesso pezzo. Nel metallo, sistemi come il Fusion S di ADDiTEC chiudono il ciclo polvere-a-polvere, aumentando sicurezza e qualità nella stampa di leghe per celle a combustibile all’idrogeno e componenti termici.
Sfide da affrontare e traiettoria futura
Per estendere l’adozione su scala industriale, è necessario sviluppare materiali stampabili dalle prestazioni elevate, potenziare la robustezza meccanica dei componenti e affinare processi multi-materiale. L’integrazione di più tecnologie AM in piattaforme ibride favorirà la produzione di dispositivi energetici completi, riducendo tempi di qualifica. Con l’espansione di filiere locali e l’aggiornamento delle normative di settore, la stampa 3D potrà occupare un ruolo centrale in soluzioni per energie rinnovabili, oil & gas, nucleare e mobilità elettrica.
