- Lattice termoelettrici stampati in 3D: verso generatori energetici personalizzati e ultraleggeri”
- “Tubi PbTe stampati 3D: l’inchiostro viscoelastico di UNIST trasforma lo scarico in potenza”
- “Machine learning incontra la stampa 3D: BiSbTe con zTzTzT 1,3 a temperatura ambiente”
- “Dalla meccanica al termoelettrico: lattice 3D per energia da calore disperso”
1. Contesto e motivazione
Il recupero del calore disperso, spesso ignorato nei processi industriali, rappresenta una risorsa enorme per la generazione di energia. I dispositivi termoelettrici (TEG) convertono direttamente il calore in elettricità sfruttando l’effetto Seebeck, senza parti mobili e con potenziale applicativo vasto. Tuttavia, i dispositivi TEG convenzionali presentano geometrie rigide e processi produttivi complessi e costosi. L’introduzione della stampa 3D (additive manufacturing) consente di superare queste limitazioni, garantendo maggiore flessibilità, riduzione di tempi e costi, e possibilità di innovazione geometrica e funzionale.
2. Potenzialità delle strutture reticolari (lattice) nel TE
Le strutture reticolari 3D offrono vantaggi tecnici rilevanti:
- Riduzione della conducibilità termica: maggiore porosità diminuisce la trasmissione del calore senza compromettere la conducibilità elettrica, migliorando il fattore di merito zTzTzT.
- Risparmio di materiale e peso: la geometria aperta consente di ottenere dispositivi più leggeri e meno costosi
- Ottimizzazione tramite configurazioni core–shell: introducono ulteriori variabili geometriche e materiali per modulare in modo indipendente conduzione termica, elettrica e coefficiente di Seebeck, con potenziale incremento di zTzTzT.
3. Tecniche di stampa 3D impiegate
Le principali tecnologie di additive manufacturing per lattice termoelettrici includono:
- Material extrusion (FDM / DIW): utilizzano filamenti termoplastici o inchiostri viscosi; accessibili, ma con finitura superficiale limitata.
- Vat photopolymerization (SLA, DLP): caratteristiche geometriche precise, ideali per strutture a bassa scala.
- Powder bed fusion (PBF): adatto a metalli e leghe, offre solidità meccanica senza necessità di leganti
4. Esempi applicativi concreti
a) Recensione completa sulle strutture lattice per TE (2025)
La rassegna pubblicata sulla Journal of Materials Chemistry A (luglio 2025) mette a confronto in modo esaustivo:
- I materiali termoelettrici usati;
- Le tecniche di stampa;
- Le caratteristiche dei dispositivi lattice;
- Vantaggi (es. riduzione di conducibilità termica) e limitazioni (es. precisione geometrica).
- Soluzioni avanzate come core–shell e topologie ottimizzate
b) Moduli termoelettrici stampati da UNIST (PbTe)
Il team dell’UNIST (Corea del Sud) ha realizzato un tubo termoelettrico completo usando inchiostri PbTe:
- Inchiostro viscoelastico privo di impurità e con carica superficiale controllata (electronic doping).
- Stampa 3D estrusiva di moduli tubulari integrati su un’unica struttura, senza strati isolanti.
- Prestazioni elevate tra 400 °C e 800 °C, con efficienza termica diretta ed eliminazione di layer resistivi (come substrati ceramici).
- Applicazioni pensate per tubi di scarico o camini industriali, con prospettiva di industrializzazione con rivestimenti anticorrosione
c) Strategie guidate da machine learning
Ricercatori dell’Università di Notre Dame hanno sviluppato un metodo di stampa estrusiva per materiali TE:
- Integrazione di sperimentazione ad alto throughput e ottimizzazione Bayesiana per trovare la formulazione migliore.
- Utilizzo di modelli gaussian process regression per prevedere la performance (fattore di potenza) in funzione di parametri d’inchiostro e stampa.
- Raggiunta di un valore zTzTzT di 1,3 a temperatura ambiente per BiSbTe stampato — record per dispositivi stampati.
d) Altri sviluppi rilevanti
- Tecnologie per TEG flessibili basate su Bi2Te3, con stampa DIW e metodi di asciugatura innovativi per preservare la forma.
- Ottimizzazione strutturale di scambiatori di calore lattice in alluminio con paraffina incorporata.
- Analisi generali sul ruolo delle strutture micro-lattice nei dispositivi energetici, con potenziale miglioramento prestazionale.
5. Prospettive, sfide e opportunità
Tema | Dettagli |
---|---|
Pro | Efficienza migliorata, design su misura, integrazione diretta, fabbricazione semplificata |
Contro | Complessità di formulazione degli inchiostri, qualità della stampa, robustezza meccanica, scala industriale |
Sfide emergenti | Multimateriale in un solo passaggio, controllo porosità, materiali anticorrosivi ad alte temperature |
Orizzonti futuri | Adozione in veicoli, elettronica wearable, IoT alimentato da energia termica residua, refrigerazione solida |
