Una batteria e un orecchio bionico: un accenno alla promessa della stampa 3D

Le stampanti 3D di oggi possono generalmente costruire cose solo con un tipo di materiale, di solito una plastica o, in alcune costose versioni industriali delle macchine, un metallo. Non possono costruire oggetti con funzioni elettroniche, ottiche o di qualsiasi tipo che richiedano l'integrazione di più materiali. Ma i recenti progressi nel laboratorio di ricerca, tra cui una batteria stampata in 3D e un orecchio bionico, suggeriscono che questo potrebbe presto cambiare.

Inchiostro di alimentazione: Questa immagine al microscopio elettronico a scansione mostra una batteria agli ioni di litio stampata in 3D. Piccoli ugelli depositano inchiostri anodici e catodici nell'architettura precisa. Il prodotto stampato mostrato qui è di circa un millimetro su ciascun lato e alto mezzo millimetro. Dopo la stampa, gli elettrodi vengono sinterizzati e confezionati.

Il mese scorso, i ricercatori hanno svelato quella che dicono sia la prima batteria al mondo stampata in 3D, realizzata con due diversi inchiostri per elettrodi. Guidato da jennifer lewis , professore di ingegneria biologicamente ispirata ad Harvard, il gruppo ha utilizzato minuscoli ugelli per depositare con precisione gli inchiostri dell'anodo e del catodo, che contengono rispettivamente nanoparticelle di ossido di litio titanio e fosfato di ferro e litio. In un carta in Materiale avanzato , i ricercatori hanno descritto la stampa di batterie ricaricabili su scala millimetrica, che potrebbero essere utilizzate per alimentare cose come piccoli sensori wireless e dispositivi medici. Le batterie, ciascuna delle quali può essere stampata in pochi minuti, hanno dimostrato prestazioni elettrochimiche impressionanti.

Strato per strato: Questa immagine ottica mostra un ugello con un diametro di 30 micrometri che deposita strati di inchiostro per elettrodi.

Il gruppo di Lewis ha sviluppato i materiali e la tecnologia della stampante personalizzata, incluso un ugello in grado di stampare caratteristiche piccole come un micrometro, necessari per stampare diversi tipi di componenti funzionali oltre alle batterie, inclusi elettrodi e antenne realizzate con inchiostri contenenti nanoparticelle metalliche , e strutture ottiche in resine fotopolimerizzabili. Ora che lei e i suoi colleghi hanno costruito una tavolozza di inchiostri funzionali (il suo gruppo detiene otto brevetti) per la stampa digitale di componenti sia 2-D che 3-D, il passo successivo è provare a realizzare un'elettronica integrata, afferma Lewis.

Mentre potrebbero volerci molti anni prima che qualcosa di così complicato come uno smartphone sia stampabile, alcuni prodotti elettronici stampati in 3D potrebbero non essere troppo lontani. Prendi gli apparecchi acustici, per esempio, dice Lewis. Le aziende stampano già il guscio di plastica che si trova nella cavità dell'orecchio di chi lo indossa. I componenti elettronici sono assemblati separatamente e i dispositivi utilizzano piccole batterie che devono essere sostituite all'incirca ogni sette giorni. Immagina di poter stampare in 3D l'intero apparecchio acustico, dice Lewis. Possiamo stampare su superfici curve. I componenti elettrici e una batteria ricaricabile come quella che il suo gruppo ha appena mostrato, potrebbero quindi essere depositati in modo additivo all'interno del guscio di plastica.

Le opportunità che derivano dalla capacità di depositare con precisione materiali elettronici o ottici all'interno di oggetti stampati in 3D non si limitano all'elettronica di consumo. A maggio, i ricercatori di Princeton segnalato utilizzando una stampante 3D standard per produrre un orecchio progettato al computer fatto di tessuto reale con componenti elettronici intrecciati, tra cui un'antenna a spirale ed elettrodi composti da un polimero conduttivo infuso con nanoparticelle d'argento. Per stampare il tessuto, i ricercatori hanno seminato una matrice gelatinosa con cellule bovine. La matrice ha dato all'orecchio stampato la sua forma mentre le cellule si sviluppavano in cartilagine.

I ricercatori ammettono che l'orecchio, in grado di rilevare le frequenze radio, serve principalmente come dimostrazione. Ma è comunque il primo esempio di questo tipo di integrazione tra tessuto biologico ed elettronica e suggerisce un nuovo approccio all'ingegneria dei tessuti basato sulla produzione additiva.

L'orecchio stampato in 3D e la batteria di Lewis, entrambi prodotti utilizzando stampanti che estrudono materiale attraverso un ugello, aprono una finestra sul potenziale della produzione additiva per realizzare oggetti con più di una funzione, afferma Richard Hague , direttore del EPSRC Centro per la produzione innovativa nella produzione additiva all'Università di Nottingham.

Tuttavia, afferma Hague, se la stampa 3D deve avere un impatto a lungo termine in un solido senso di produzione, sarà più probabile che avvenga attraverso altre tecnologie di stampa, ad esempio macchine avanzate che utilizzano testine di stampa come quelle delle stampanti a getto d'inchiostro convenzionali. . La ricerca al suo centro è focalizzata sul superamento dei sostanziali ostacoli legati ai materiali alla stampa di materiali conduttivi in ​​questo modo.

Per ora, il gruppo di Lewis sta esplorando modi per commercializzare le sue stampanti a estrusione, che possono stampare inchiostri funzionali attraverso ugelli piccoli fino a 100 nanometri e possono essere dotate di testine di stampa in grado di depositare inchiostri da più ugelli più grandi contemporaneamente. Penso che ci sia un percorso per la produzione di componenti personalizzati, dice. Almeno questa è la nostra visione.

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