La produzione additiva in scala micrometrica sta aprendo possibilità difficili da ottenere con i processi convenzionali, ma uno dei limiti resta la scelta dei materiali. Le tecnologie di microstampa 3D ad altissima risoluzione lavorano soprattutto con fotopolimeri, mentre molte applicazioni industriali richiedono componenti metallici per ragioni di resistenza meccanica, conducibilità elettrica, comportamento all’usura o compatibilità con specifici ambienti operativi.
La società austriaca NanoVoxel GmbH ha sviluppato una soluzione che separa deliberatamente le due esigenze: utilizzare la stampa 3D per ottenere la geometria e affidare a un processo elettrochimico la realizzazione del componente metallico.
Il principio è descritto nel brevetto internazionale WO2026162647A2, che riguarda la produzione di microstrutture metalliche tridimensionali attraverso uno stampo polimerico realizzato con tecnologie di microstampa 3D e successivamente riempito mediante deposizione elettrochimica.
Invece di tentare di stampare direttamente metalli con una risoluzione submicrometrica, NanoVoxel crea quindi una struttura sacrificabile con geometrie estremamente dettagliate e la utilizza come matrice per formare il componente finale.
La stampa 3D crea lo stampo, non il pezzo metallico
Il processo parte dalla produzione di uno stampo negativo tridimensionale.
La tecnologia indicata come soluzione principale è la Two-Photon Polymerization, comunemente abbreviata in 2PP, anche se il brevetto considera anche processi micro-DLP e micro-SLA.
La 2PP utilizza un laser focalizzato all’interno di una resina fotosensibile. La polimerizzazione avviene soltanto nella minuscola regione nella quale la densità di energia è sufficiente a provocare l’assorbimento simultaneo di due fotoni.
Questo consente di solidificare il materiale all’interno di un volume tridimensionale con una precisione molto superiore rispetto ai normali processi stereolitografici.
Il fascio laser viene spostato seguendo il modello digitale e costruisce progressivamente la struttura desiderata.
Nel processo proposto da NanoVoxel, però, il risultato della stampa non rappresenta il prodotto finale. Serve come stampo temporaneo che determina la geometria del futuro componente metallico.
Una volta realizzata questa struttura, le cavità vengono riempite attraverso un processo di elettrodeposizione o electroforming.
Al termine della deposizione il materiale polimerico viene eliminato, lasciando la microstruttura metallica.
Perché NanoVoxel non stampa direttamente il metallo
La scelta può sembrare indiretta, ma risponde a uno dei problemi principali della produzione additiva metallica in microscala.
I processi metallici basati sulla fusione di polveri o sull’energia concentrata possono realizzare componenti molto complessi, ma la dimensione delle particelle, il diametro del fascio, la gestione termica e la solidificazione del materiale pongono limiti alla risoluzione raggiungibile.
Quando le caratteristiche da realizzare scendono nell’ordine di pochi micrometri o addirittura sotto il micrometro, questi vincoli diventano determinanti.
La 2PP, al contrario, nasce proprio per lavorare in questa scala dimensionale.
NanoVoxel dichiara per le proprie tecnologie di microfabbricazione risoluzioni fino a circa 0,2 micrometri, tolleranze dell’ordine di pochi micrometri e rugosità superficiali che possono scendere sotto i 100 nanometri Ra, a seconda della geometria e del processo impiegato.
Il concetto è quindi utilizzare ciascuna tecnologia per quello che sa fare meglio: la 2PP genera la geometria estremamente fine, mentre l’elettrodeposizione fornisce il materiale metallico.
Dal fotopolimero a oro, argento, nichel, rame e platino
Il brevetto di NanoVoxel considera diversi metalli compatibili con il processo elettrochimico.
Fra quelli citati figurano oro, argento, platino, nickel e rame.
La scelta amplia in modo significativo i possibili campi di applicazione.
Il rame può essere interessante per componenti elettrici, microelettronica e dispositivi nei quali è richiesta elevata conducibilità.
Il nickel può offrire caratteristiche meccaniche e di resistenza all’usura utili per micromeccanica e componentistica.
Oro, argento e platino possono invece trovare applicazione nella gioielleria, nell’orologeria, nell’elettronica, nella sensoristica e in dispositivi nei quali siano richieste particolari caratteristiche chimiche o superficiali.
Il brevetto contempla inoltre la possibilità di effettuare più cicli di deposizione, creando strutture nelle quali differenti metalli possono essere integrati nello stesso componente.
Questa caratteristica potrebbe consentire di progettare microparti nelle quali le proprietà cambiano da una zona all’altra anziché utilizzare un materiale uniforme.
Geometrie realmente tridimensionali invece delle strutture 2,5D
Uno degli aspetti più significativi del brevetto riguarda il confronto con le tecniche litografiche utilizzate nella microfabbricazione.
Processi come LIGA, acronimo derivato dai termini tedeschi Lithographie, Galvanoformung e Abformung, sono utilizzati da decenni per produrre microcomponenti con elevata precisione.
La tecnologia combina litografia, elettroformatura e replicazione e può ottenere strutture con rapporti d’aspetto elevati.
Il problema nasce quando la geometria richiesta non può essere descritta come una semplice estrusione verticale di una forma bidimensionale.
Curvature complesse, sottosquadri, strutture intrecciate, superfici inclinate, canali tridimensionali e cavità possono risultare difficili da produrre con processi litografici tradizionali.
La 2PP elimina buona parte di questo vincolo perché il laser può polimerizzare il materiale praticamente in qualsiasi posizione all’interno del volume della resina.
Questo rende possibile realizzare quello che NanoVoxel definisce un approccio realmente tridimensionale alla micromanifattura.
Strutture sotto i 20 micrometri e rapporti d’aspetto elevati
Nel brevetto vengono considerate strutture con dimensioni caratteristiche inferiori ai 20 micrometri, accompagnate dalla possibilità di raggiungere risoluzioni ancora inferiori attraverso la Two-Photon Polymerization.
Un altro parametro importante è il rapporto d’aspetto, cioè il rapporto fra altezza e larghezza di una struttura.
NanoVoxel considera strutture con rapporti superiori a 10:1, un requisito utile quando si vogliono realizzare elementi molto sottili ma relativamente alti.
A queste dimensioni una differenza di pochi micrometri può modificare il comportamento meccanico, fluidodinamico, ottico o elettrico del componente.
La precisione del processo di stampa diventa quindi parte integrante delle prestazioni del prodotto finale.
L’elettroformatura avviene senza fondere il metallo
Un’altra differenza rispetto alla stampa 3D metallica riguarda la temperatura.
Nel processo descritto da NanoVoxel il metallo viene depositato attraverso una reazione elettrochimica e non viene portato alla temperatura di fusione.
L’elettrodeposizione può operare a temperature relativamente basse, evitando alcuni degli effetti termici associati ai processi basati sulla fusione.
Nella produzione additiva metallica ad alta temperatura possono infatti comparire tensioni residue, deformazioni, variazioni microstrutturali e fenomeni legati ai gradienti termici.
Nel sistema NanoVoxel questi fenomeni vengono in buona parte evitati perché il componente cresce attraverso la deposizione progressiva di materiale metallico.
Ciò non significa che l’elettroformatura sia priva di difficoltà: distribuzione della corrente, geometria dello stampo, composizione dell’elettrolita e velocità di deposizione devono essere controllate con precisione.
La difficoltà principale è riempire geometrie sempre più complesse
Il passaggio dall’idea alla produzione industriale richiede di affrontare un problema tipico dell’elettrodeposizione.
Più una cavità è profonda, stretta o tortuosa, più diventa complesso ottenere una crescita uniforme del metallo.
Zone vicine all’ingresso dello stampo possono accumulare materiale più velocemente rispetto alle regioni interne, con il rischio di chiudere prematuramente un canale o impedire all’elettrolita di raggiungere determinate superfici.
La progettazione del componente deve quindi tenere conto non soltanto della possibilità di stampare una determinata geometria, ma anche della possibilità di metallizzarla.
Si tratta di un punto fondamentale: la libertà geometrica della 2PP è superiore a quella che il successivo processo di elettroformatura può necessariamente replicare senza adattamenti.
Il vero know-how industriale diventa quindi la progettazione combinata di stampa ed elettrodeposizione.
Anche la rimozione dello stampo è parte del problema
Una volta completata la deposizione metallica, il polimero che ha svolto la funzione di stampo deve essere rimosso.
Su geometrie aperte il processo può essere relativamente semplice.
La situazione cambia con cavità interne, reticoli, canali o strutture quasi completamente chiuse.
Il materiale sacrificabile deve poter essere eliminato senza deformare o danneggiare elementi metallici che possono avere dimensioni di pochi micrometri.
Scelta del fotopolimero, accessibilità della geometria e metodo utilizzato per la rimozione diventano quindi parametri di progettazione altrettanto importanti della risoluzione di stampa.
Questo punto rappresenta uno degli elementi che determineranno quali geometrie possano essere realmente prodotte in serie con il processo.
Orologeria e gioielleria sono fra i primi settori interessati
Il brevetto cita espressamente applicazioni nell’orologeria e nella gioielleria.
Sono settori particolarmente adatti alla tecnologia perché combinano tre esigenze: componenti piccoli, materiali metallici di valore e geometrie elaborate.
Nell’orologeria il processo potrebbe essere impiegato per produrre elementi micromeccanici, parti decorative, strutture funzionali o componenti con superfici difficili da lavorare con utensili tradizionali.
Nella gioielleria potrebbe permettere la creazione di forme tridimensionali molto sottili utilizzando direttamente metalli preziosi.
La possibilità di ottenere una superficie già molto precisa potrebbe inoltre ridurre alcune lavorazioni successive.
Quando un particolare misura poche decine di micrometri, una tradizionale operazione di lucidatura può essere non soltanto costosa ma tecnicamente impossibile senza alterarne la geometria.
Microfluidica, medicale ed elettronica ampliano il campo applicativo
L’attività di NanoVoxel GmbH non è limitata all’orologeria.
L’azienda lavora su microcomponenti destinati anche a settori come dispositivi medicali, microfluidica, elettronica di consumo e ricerca scientifica.
In microfluidica, ad esempio, la capacità di realizzare canali con geometrie tridimensionali molto precise può consentire una migliore gestione di piccoli volumi di liquido.
Nel medicale la microfabbricazione viene utilizzata per componenti quali microneedle, dispositivi diagnostici e strutture miniaturizzate.
Nella microelettronica la disponibilità di componenti metallici tridimensionali può essere interessante per contatti, strutture conduttive, microelettrodi e dispositivi MEMS.
Il passaggio dalla stampa di polimeri alla possibilità di ottenere componenti metallici amplia quindi il numero di funzioni che una stessa piattaforma produttiva può realizzare.
NanoVoxel punta a combinare più tecnologie di produzione
La strategia industriale di NanoVoxel GmbH, fondata a Vienna nel 2022 e guidata dal CEO e fondatore Domenico Foglia insieme al CTO Martin Ganz, non consiste nel proporre una sola tecnologia di microstampa.
L’azienda utilizza un modello che combina Two-Photon Polymerization, micro injection molding, casting, metallizzazione e microassemblaggio.
Il principio è partire dalla tecnologia con la maggiore risoluzione per sviluppare il componente e trasferire poi la geometria verso processi più adatti alla produzione in quantità maggiori.
La stessa impostazione viene utilizzata per evitare uno dei problemi della 2PP: la velocità.
Scrivere una struttura tridimensionale punto per punto con un laser può essere efficace per prototipi e pezzi estremamente complessi, ma può diventare economicamente difficile quando devono essere prodotti milioni di componenti.
Utilizzare la 2PP per creare utensili, stampi o master e replicare successivamente il risultato permette di separare la fase di definizione geometrica dalla fase di produzione in serie.
Il processo VERA porta il concetto verso il metallo
Nel proprio posizionamento industriale NanoVoxel presenta anche il processo proprietario VERA, orientato alla realizzazione di microparti tridimensionali ad alta precisione e al passaggio dal progetto digitale al componente metallico.
L’azienda dichiara di poter lavorare su strutture tridimensionali freeform, sottosquadri, overhang e volumi complessi mantenendo precisioni dell’ordine dei micrometri.
La strategia è significativa perché mostra come il brevetto non rappresenti soltanto uno studio teorico: si inserisce in una piattaforma tecnologica che NanoVoxel sta sviluppando per offrire servizi industriali di micromanifattura.
La società ha inoltre mostrato dimostratori metallici estremamente piccoli, fra cui una riproduzione del Cervino alta circa 1,4 millimetri, utilizzata per evidenziare la combinazione fra dimensione, dettaglio e geometria tridimensionale.
Dal prototipo microscopico alla produzione industriale
La questione centrale sarà ora la scalabilità.
Produrre un singolo microcomponente estremamente dettagliato è diverso dal produrne migliaia mantenendo tolleranze, proprietà del metallo e qualità superficiale costanti.
Il controllo dell’elettrodeposizione, la preparazione degli stampi, la rimozione del polimero, l’ispezione dimensionale e il costo per pezzo saranno determinanti per capire quali applicazioni possano diventare economicamente competitive.
NanoVoxel dispone già di competenze nel microstampaggio a iniezione e nei processi di replicazione, elemento che suggerisce una strategia orientata non soltanto alla prototipazione ma anche alla produzione in volume.
L’azienda indica inoltre l’utilizzo di sistemi di metrologia come profilometria laser ad alta precisione, microscopia elettronica SEM e microtomografia computerizzata per verificare componenti le cui caratteristiche non possono essere controllate con strumenti dimensionali convenzionali.
Una strada alternativa alla stampa 3D metallica diretta
Il valore del brevetto WO2026162647A2 sta soprattutto nel modo in cui viene affrontato il problema.
Invece di chiedere a una singola tecnologia di risolvere contemporaneamente geometria, risoluzione e materiale, NanoVoxel GmbH divide il processo.
La microstampa 3D determina la forma.
L’elettroformatura determina il materiale.
La rimozione dello stampo libera il componente finale.
È un approccio simile al principio della fusione a cera persa, ma portato a una scala nella quale le caratteristiche possono misurare pochi micrometri o frazioni di micrometro.
Se il processo dimostrerà di poter mantenere uniformità di deposizione, precisione e costi accettabili anche su geometrie molto complesse e su quantità industriali, potrebbe creare uno spazio produttivo interessante tra la microfabbricazione litografica tradizionale e la stampa 3D metallica diretta.
La conseguenza più significativa sarebbe la possibilità di progettare componenti metallici non soltanto piccoli, ma realmente tridimensionali, sfruttando una libertà geometrica che finora è stata molto più accessibile nel mondo dei fotopolimeri che in quello dei metalli.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
