Gli scienziati dell’EPFL hanno sviluppato un metodo di stampa 3D che permette a metalli e ceramiche di crescere in un gel a base d’acqua. Il risultato è una struttura molto densa ed estremamente complessa.
La fotopolimerizzazione in vasca è una tecnica di stampa 3D in cui una resina fotosensibile viene versata in una vasca e poi indurita selettivamente nella forma desiderata utilizzando un laser o una luce ultravioletta. Tuttavia, questo processo viene solitamente utilizzato solo con polimeri fotosensibili, il che limita la sua gamma di applicazioni utili.
Alcuni metodi di stampa 3D sono stati sviluppati per convertire questi polimeri stampati in metalli e ceramiche più resistenti. Ma, secondo Daryl Yee, responsabile del Laboratorio di Chimica dei Materiali e della Produzione della Facoltà di Ingegneria dell’EPFL, i materiali prodotti con queste tecniche soffrono di gravi problemi strutturali. "Tendono a essere porosi, il che riduce notevolmente la loro resistenza, e le parti subiscono un ritiro eccessivo, che ne causa la deformazione", spiega Yee.
Con il suo team, il professore ha appena pubblicato un articolo su Advanced Materials che descrive una soluzione unica a questo problema. Invece di usare la luce per polimerizzare una resina pre-infusa con precursori metallici, come hanno fatto i metodi precedenti, il team dell’EPFL crea prima una struttura 3D da un semplice gel a base d’acqua chiamato idrogel. Quindi infonde questo idrogel "vergine" con sali metallici, prima di trasformarli chimicamente in nanoparticelle metalliche che impregnano la struttura. Questo processo può essere ripetuto per ottenere compositi con concentrazioni di metallo molto elevate.
Dopo 5-10 "cicli di crescita", una fase finale di riscaldamento brucia l’idrogel rimanente, rivelando il prodotto finito: un oggetto metallico o ceramico con la forma del polimero grezzo originale, con densità e resistenza senza precedenti. Poiché gli idrogel vengono infusi con sali metallici solo dopo la produzione, la tecnica consente di trasformare un singolo idrogel in diversi compositi, ceramiche o metalli.
"Il nostro lavoro non solo rende possibile la produzione di metalli e ceramiche di alta qualità con un processo di stampa 3D accessibile ed economico, ma evidenzia anche un nuovo paradigma nella produzione additiva, in cui la selezione dei materiali avviene dopo la stampa 3D anziché prima", riassume Daryl Yee.
Obiettivo: architetture 3D avanzate
Per il loro studio, il team ha fabbricato forme matematiche complesse chiamate giroidi a partire da ferro, argento e rame, dimostrando la capacità della loro tecnica di produrre strutture solide ma complesse. Per testare la resistenza dei loro materiali, hanno utilizzato un dispositivo chiamato macchina di prova universale per esercitare una pressione crescente sui giroidi.
"I nostri materiali sono stati in grado di resistere a una pressione 20 volte superiore rispetto a quelli prodotti con metodi precedenti, pur restringendosi solo del 20% rispetto al 60-90%", spiega Yiming Ji, dottorando e primo autore.
"Il nostro lavoro evidenzia un nuovo paradigma nella produzione additiva, in cui la selezione dei materiali avviene dopo la stampa 3D anziché prima
, spiega Daryl Yee, direttore del Materials and Manufacturing Chemistry Laboratory
La tecnica è particolarmente interessante per la produzione di architetture 3D avanzate che devono essere resistenti, leggere e complesse, come sensori, dispositivi biomedici o dispositivi di conversione e stoccaggio dell’energia. Ad esempio, i catalizzatori metallici sono essenziali per attivare le reazioni che convertono l’energia chimica in elettricità. Altre applicazioni potrebbero includere metalli ad alta superficie con proprietà di raffreddamento avanzate per le tecnologie energetiche.
Il team lavorerà ora al miglioramento del processo per facilitarne l’adozione da parte dell’industria, in particolare aumentando ulteriormente la densità dei materiali. Un altro obiettivo è la velocità: le ripetute fasi di infusione, pur essendo essenziali per ottenere materiali più resistenti, rendono il metodo più dispendioso in termini di tempo rispetto ad altre tecniche di stampa 3D per convertire i polimeri in metalli. "Stiamo già lavorando per ridurre il tempo totale di lavorazione utilizzando un robot per automatizzare queste fasi", spiega Daryl Yee.
RiferimentiY. Ji, Y. Hong, D. R. Bhandari e D. W. Yee, "Hydrogel-Based Vat Photopolymerization of Ceramics and Metals with Low Shrinkages via Repeated Infusion Precipitation". Adv. Mater. (2025): e04951. https://doi.org/10.1002/adma.202504951
Piccolo giroide d’argento (i segni sono a 1 mm l’uno dall’altro). ALCHIMIA EPFL CC BY SA
