Cambio di paradigma per la manifattura additiva: adesso ceramiche e metalli possono “crescere” all’interno di un idrogel stampato in 3D

I ricercatori dell’EPFL hanno sviluppato un nuovo metodo di stampa 3D che permette di “coltivare” ceramiche e metalli all’interno di un idrogel. In questo processo, dei sali metallici vengono infusi in un gel a base d’acqua e poi convertiti chimicamente in nanoparticelle contenenti metallo che penetrano all’interno della struttura originaria, assumendone la forma.

Stampa 3D dei metalli: i limiti della fotopolimerizzazione in vasca

Nei materiali strutturati (o architected materials), i tradizionali confini della chimica vengono superati grazie a geometrie e microstrutture interne che conferiscono ai materiali proprietà meccaniche, termiche o funzionali decisamente inusuali. In questo contesto, la manifattura additiva è considerata una tecnologia abilitante, in quanto capace di riprodurre fedelmente geometrie tridimensionali molto complesse con grande precisione e a costi ragionevoli.

Tra le diverse tecnologie esplorate, la fotopolimerizzazione in vasca (Vat Photopolymerization, o VPP) è sembrata decisamente promettente, in quanto veloce ed estremamente precisa. In questo processo di stampa 3D, una resina fotosensibile viene versata in una vasca e successivamente indurita selettivamente nella forma desiderata utilizzando un laser o una luce UV. Basandosi sulla fotosensibilità del materiale, però, questa tecnica viene applicata principalmente ai polimeri fotosensibili, cosa che ne limita molto la portata in termini di applicazioni pratiche.

Per superare queste limitazioni, sono stati sviluppati dei metodi di stampa 3D capaci di convertire questi polimeri in metalli e ceramiche: uno dei più noti prevede l’aggiunta di particelle ceramiche finissime in sospensione nel mezzo fotopolimerizzabile. Le particelle ceramiche vengono così circondate uniformemente da quelle plastiche, sensibili alla luce. La fotopolimerizzazione, strato su strato, genera il “corpo verde”, che poi va ripulito dal legante polimerico e infine sinterizzato ad altissime temperature per diventare più denso e compatto.

I materiali così prodotti, però, presentano dei seri limiti strutturali. Come spiega Daryl Yee, responsabile del Laboratorio di Chimica dei Materiali e della Produzione presso la Facoltà di Ingegneria dell’EPFL a Neuchâtel,

“Questi materiali tendono a essere porosi, il che ne riduce significativamente la resistenza, e i componenti subiscono un restringimento eccessivo, che causa deformazioni”.

Esiste però una strategia alternativa, che il team di Yee ha deciso di indagare.

“Coltivare” metalli e ceramica nell’idrogel: un nuovo paradigma

Come si legge nello studio recentemente pubblicato sulla rivista Advanced Materials, l’uso di soluzioni acquose di sali metallici si è andato affermando come un’alternativa promettente alla VPP di ceramiche e metalli. In breve, si tratta di fabbricare i polimeri che contengono queste soluzioni acquose e, soltanto dopo, convertirli in metallo o ceramica.

Sulla base di questo modello, nel 2022 il team di Yee ha sviluppato un processo chiamato manifattura additiva tramite infusione di idrogel (HIAM), in cui gli idrogel “vuoti” vengono infusi con una varietà di soluzioni di sali metallici dopo la fabbricazione e quindi trattati termicamente per convertirli in ossidi metallici o metalli. In questo nuovo processo, l’aggiunta di sali metallici avviene dopo la stampa del polimero: un nuovo paradigma per la manifattura additiva, che permette di utilizzare una singola composizione di resina per la lavorazione di una gamma pressoché infinita di materiali non polimerici e di selezionare il materiale finale dopo la fabbricazione della struttura.

Il processo, sviluppato tre anni fa e migliorato negli anni, è piuttosto semplice: prima si realizza un’impalcatura 3D in idrogel, dopodiché si infonde questa struttura con sali metallici, che vengono poi convertiti chimicamente in nanoparticelle contenenti metallo che permeano la struttura. Ripetendo questa infusione per 5-10 cicli di “crescita”, spiegano i ricercatori, si ottengono compositi con concentrazioni metalliche molto elevate.

L’ultimo passaggio, come nella VPP tradizionale, prevede l’eliminazione dell’idrogel rimanente tramite riscaldamento. Il risultato è un oggetto in metallo o ceramica, con la forma esatta del polimero grezzo originale, incredibilmente denso e resistente.

“Il nostro lavoro non solo consente la fabbricazione di metalli e ceramiche di alta qualità con un processo di stampa 3D accessibile e a basso costo, ma evidenzia anche un nuovo paradigma nella produzione additiva in cui la selezione dei materiali avviene dopo la stampa 3D, anziché prima”,

spiega Yee.

Con la nuova tecnica, materiali più densi e 20 volte più resistenti

Per lo studio, il team ha fabbricato complesse forme reticolari matematiche chiamate giroidi in ferro, argento e rame, dimostrando la capacità della loro tecnica di produrre strutture resistenti ma complesse:

“I nostri materiali potrebbero resistere a una pressione 20 volte superiore rispetto a quelli prodotti con metodi precedenti, pur presentando un restringimento di solo il 20% rispetto al 60-90 per cento”,

spiega Yiming Ji, dottorando e primo autore della ricerca.

Finalmente, quindi, i metalli stampati in 3D nell’idrogel sono pronti a essere sperimentati in applicazioni pratiche. Secondo i ricercatori dell’EPFL, questa tecnica può essere particolarmente interessante per la fabbricazione di architetture 3D avanzate che devono essere allo stesso tempo resistenti, leggere e complesse, come quelle richieste da sensori, dispositivi biomedici o dispositivi per la conversione e l’accumulo di energia.

Per calarsi nel mondo reale, però, questo processo dev’essere migliorato ancora. Perciò il team sta lavorando su due fronti: aumentare ulteriormente la densità dei materiali e velocizzare il processo di stampa 3D utilizzando un robot per automatizzare i ripetuti passaggi di infusione.

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