1. Lattice termoelettrici stampati in 3D: verso generatori energetici personalizzati e ultraleggeri”
  2. “Tubi PbTe stampati 3D: l’inchiostro viscoelastico di UNIST trasforma lo scarico in potenza”
  3. “Machine learning incontra la stampa 3D: BiSbTe con zTzTzT 1,3 a temperatura ambiente”
  4. “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

TemaDettagli
ProEfficienza migliorata, design su misura, integrazione diretta, fabbricazione semplificata
ControComplessità di formulazione degli inchiostri, qualità della stampa, robustezza meccanica, scala industriale
Sfide emergentiMultimateriale in un solo passaggio, controllo porosità, materiali anticorrosivi ad alte temperature
Orizzonti futuriAdozione in veicoli, elettronica wearable, IoT alimentato da energia termica residua, refrigerazione solida

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Di Fantasy

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