Cosa riserva il futuro della tecnologia di microstampa 3D?
La microfabbricazione è un processo di produzione che permette di creare oggetti in miniatura su scala micrometrica o anche inferiore. Storicamente, è stata utilizzata per la prima volta nell’industria elettronica per miniaturizzare le dimensioni dei dispositivi. Avrai sicuramente notato che nel corso degli anni i tuoi dispositivi sono diventati più piccoli ed esteticamente più gradevoli. Le dimensioni dei componenti si sono progressivamente ridotte nel corso del tempo: inizialmente misuravano alcune decine di micrometri, poi sono scese a pochi micrometri, successivamente a centinaia di nanometri, fino ad arrivare alle attuali poche decine di nanometri. Di conseguenza, quella che veniva chiamata microfabbricazione è stata ribattezzata come nanofabbricazione, anche se i principi guida sono rimasti essenzialmente gli stessi. Con l’obiettivo di ridurre sempre più le dimensioni dei componenti nell’industria elettronica, vengono costantemente sviluppati nuovi strumenti e tecniche. Una di queste è la microstampa 3D, detta anche stampa su microscala. Quali sono le applicazioni rese possibili dalla produzione additiva su microscala? E, più in generale, quali vantaggi apporta il suo utilizzo?
Prima di tutto, vale la pena far notare come l’industria elettronica sia uno dei settori che si serve meno della produzione additiva. Considerando che il settore aerospaziale è stato uno dei primi ad adottare e sviluppare la stampa 3D, per l’elettronica è accaduto essenzialmente il contrario. Tuttavia, la produzione additiva può apportare benefici e nuove possibilità a questo settore, consentendo un nuovo livello di personalizzazione dei componenti su micro e nanoscala. In effetti, la microstampa 3D è stata sviluppata inizialmente per l’industria elettronica, ma oggi la tecnologia si è estesa oltre questo campo. Ad esempio, la microstampa 3D potrebbe essere utilizzata per applicazioni mediche, dove componenti di dimensioni nanometriche potrebbero essere inserite nel corpo umano per curare malattie. Cercheremo quindi di capire la relazione tra la produzione additiva, la microfabbricazione e la nanofabbricazione per offrire una panoramica dello stato attuale di questa tecnologia e delle sue applicazioni nei settori dell’elettronica e non solo.
Per ridurre le dimensioni dei componenti microelettronici vengono costantemente sviluppati nuovi strumenti e tecniche, il cui motore principale sono i circuiti integrati.
La tecnologia alla base della microstampa 3D
La tecnologia principale alla base della microstampa 3D è nota come microstereolitografia. Si basa su un principio di produzione molto simile a quello della stereolitografia (SLA), ossia la prima tecnologia di stampa 3D a essere stata brevettata, ma incorpora una serie di miglioramenti che consentono di ottenere una risoluzione molto migliorata le cui dimensioni raggiungono i pochi micrometri. Si basa sulla fotopolimerizzazione di un materiale fotosensibile per mezzo di una luce ultravioletta.
Nel campo dell’elettronica, la tecnologia deve essere in grado di creare strutture sia conduttive che isolanti, una sfida dunque molto importante. Nano Dimension, uno dei principali produttori di componenti elettronici stampati in 3D, ha sviluppato una tecnologia di stampa 3D a getto di materiale basata sull’uso di nano-inchiostri. Questa tecnologia si basa sulla fotopolimerizzazione: una testina di stampa deposita sul piatto di stampa nanoparticelle dielettriche, nanoparticelle conduttive e polimeri, che vengono poi polimerizzati strato dopo strato mediante luce UV. Optomec, un’altra azienda leader nel campo dell’elettronica stampata in 3D, ha invece sviluppato un processo a getto d’aerosol, che deposita uno stretto flusso di inchiostri elettronici di dimensioni pari a 10 µm.
Il seguente circuito stampato è multistrato, il che significa che contiene diversi strati di tracce conduttive invece di uno solo. (Crediti fotografici: Nano Dimension)
Per i metalli, la microstereolitografia non è la tecnologià più adatta. La Micro Laser Sintering è una tecnologia simile alla sinterizzazione laser (SLS) che è stata sviluppata per creare microstrutture metalliche stampate in 3D ed è utilizzata da operatori come l’azienda tedesca 3D MicroPrint. Exaddon, invece, si serve di una tecnologia che potrebbe essere paragonata a quella della Direct Energy Deposition (DED): un micro-ugello deposita un liquido di ioni metallici, che viene trasformato da un processo elettrolitico, ossia da una carica elettrica, in atomi solidi.
Produrre bobine dal diametro inferiore a 300 micrometri è una sfida complessa. Le seguenti bobine di rame sono state stampate in 3D da Exaddon in collaborazione con la Harvard Medical School. (Crediti fotografici: Exaddon)
Per quanto riguarda la stampa 3D su scala nanometrica, la tecnologia si chiama Multiphoton Lithography (MPL), meglio conosciuta come polimerizzazione a due fotoni (2PP). Come suggerisce il nome, utilizza l’assorbimento a due fotoni di laser ad alta intensità, come la luce NIR, conosciuta anche con il nome di la luce del vicino infrarosso. Questi laser ad alta intensità possono creare risoluzioni fino a 50 nm (0,05 µm). Poiché queste parti sono così piccole, la loro creazione richiede più tempo di quanto si possa pensare. Infatti, il processo prevede la polimerizzazione di aree molto piccole e questa fase se accelerata può portare a una perdita di precisione. Per dare un’idea, l’occhio nudo può vedere oggetti di 0,1 mm, ovvero circa 100 micrometri (µm). Di conseguenza, non sarebbe possibile vedere la maggior parte delle strutture che la polimerizzazione a due fotoni (2PP) è in grado di creare.
I ricercatori di diverse università del mondo stanno studiando le capacità della tecnologia 2PP. Recentemente, presso l’Università cinese di Hong Kong (CUHK), in collaborazione con il Lawrence Livermore National Laboratory, i ricercatori hanno lavorato per migliorare questa tecnologia. Sourabh Saha, responsabile di questo progetto di ricerca, spiega: “Tradizionalmente, vegono fatti dei compromessi tra velocità e risoluzione. Se si vuole un processo più veloce, si perde la risoluzione. Abbiamo eliminato questo compromesso tecnico, permettendoci di stampare mille volte più velocemente ottenendo comunque dei dettagli più piccoli”. In sostanza, i ricercatori stanno sostituendo l’uso del singolo laser ad alta intensità con un campo di luce per accelerare il processo di stampa.
Questo castello misura 230 µm x 250 µm x 360 µm ed è stato stampato in 3D su una matita utilizzando la tecnologia 2PP (Crediti fotografici: TU Wien).
Applicazioni della microstampa 3D
Industria elettronica
Nel campo dell’elettronica, la microstampa 3D può migliorare le prestazioni e le funzionalità e aumentare la miniaturizzazione dei dispositivi. Per gli ingegneri, una delle sfide dell’innovazione in questo campo consiste spesso nella creazione di prototipi per testare la forma o l’incorporazione dell’elettronica al fine di verificare la progettazione di nuovi prodotti. La prototipazione interna, anziché l’esternalizzazione, consente ai produttori di beneficiare di tempi di consegna più brevi, maggiore flessibilità di progettazione, personalizzazione e una catena di fornitura semplificata. La microstampa 3D può essere utilizzata per creare nuovi progetti di dispositivi quali elettronica incorporata, elettromagneti, MIDS (Molded Interconnect Devices), antenne, sensori e PCB (Printed Circuit Boards) multistrato.
Amit Dror, CEO di Nano Dimension, spiega che molti settori trarranno vantaggio da questa tecnologia, al di là delle applicazioni di prototipazione: “Oggi, la maggiore necessità di soluzioni AME (Additive Manufacturing Electronics) proviene dall’industria aerospaziale e della difesa, dove è evidente l’esigenza di parti a basso volume e ad alto dosaggio. In futuro, possiamo aspettarci una produzione su scala industriale nei settori dell’automobile e dell’elettronica di consumo”.
Un circuito stampato in 3D da Nano Dimension.
È probabile che l’elettronica stampata in 3D segua lo stesso percorso dei primi utilizzatori di questa tecnologia. Con il progredire della tecnologia e l’ingresso di nuovi attori sul mercato, la stampa 3D di componenti elettronici potrebbe in fine passare dall’essere un semplice strumento di prototipazione all’essere utilizzata per la produzione di massa. Per dare un’idea, Optomec spiega che la sua tecnologia Aerosol Jet è in grado di stampare in 3D 5.000 circuiti integrati di dimensioni comprese tra 25 e 50 µm all’ora e che la produzione può essere aumentata a 10.000 all’ora con l’introduzione di “un ugello aggiuntivo”. In altre parole, l’azienda promette che la sua tecnologia possa supportare una produzione su larga scala.
Altre applicazioni
Naturalmente, la possibilità di stampare strutture così piccole presenta anche altri vantaggi. Molte startup come Microfabrica, Nanoscribe, Boston Micro Fabrication o MicroLight3D hanno sviluppato microtecnologie che possono essere utilizzate per produrre dispositivi medici. Ad esempio, l’obiettivo degli operatori sanitari è quello di cercare di ridurre al minimo i danni collaterali arrecati ai tessuti durante un’operazione. Ecco perché la miniaturizzazione dei dispositivi medici è essenziale. Sempre nel settore medico, Nanoscribe spiega che gli utenti possono realizzare strutture 3D per studiare la crescita, la migrazione o la differenziazione delle cellule staminali su strutture biomimetiche utilizzando la tecnologia 2PP. La startup utilizza il 2PP anche per una serie di altre applicazioni, quali la rifrazione, la diffrazione e la micro-ottica.
Strumenti ottenuti con precisione micrometrica grazie alla microstampa 3D in metallo (Crediti fotografici: Microfabrica)
Quale sarà il futuro di questo settore della produzione additiva?
In futuro, le possibili applicazioni includeranno la produzione di sensori indossabili o incorporati per il monitoraggio della salute in tempo reale. Questi sensori stampati in 3D potrebbero essere integrati non solo nelle lenti degli occhiali, ma anche nelle lenti a contatto, abilitando applicazioni di realtà aumentata. Allo stesso modo, l’elettronica stampata in 3D potrebbe essere incorporata in una vasta gamma di oggetti, dagli smartphone alle automobili, migliorandone le funzionalità e riducendone il peso. Tuttavia, come per tutti i software, ci sono ancora delle limitazioni: sono ancora poche le soluzioni attuali che consentono lo sviluppo di modelli 3D così piccoli. Lo stesso vale per i materiali, che rimangono limitati.
Per concludere, è abbastanza evidente che l’adozione più ampia della microstampa 3D incontrerà gli stessi ostacoli che hanno incontrato le altre tecnologie di produzione additiva. John Kawola, CEO di Boston Micro Fabrication, ha affermato: “Non pensiamo che le sfide di un’adozione più ampia della micro stampa 3D siano diverse da quelle della stampa 3D in generale. La stampa 3D, indipendentemente dalle sue dimensioni, continuerà a essere preziosa per l’ingegneria e la prototipazione. La stampa 3D su microscala offre nuovi strumenti agli ingegneri che in precedenza non potevano prototipare in modo efficiente su queste dimensioni. Inoltre, la produzione di microparti è generalmente piuttosto costosa, il che aumenta l’interesse nel considerare la stampa 3D per la produzione di parti finite.”
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