Tutto quello che c’è da sapere sulla Direct Ink Writing (DIW)

La Direct Ink Writing (DIW) è una tecnica di produzione additiva basata sull’estrusione in cui l’inchiostro viene estruso attraverso un ugello sottile che segue un percorso definito digitalmente per costruire una struttura tridimensionale strato per strato. Una delle caratteristiche chiave di questa tecnica è la sua capacità di stampare inchiostri personalizzabili a livello meso e microscopico (in sostanza, non progetti su larga scala). La tecnologia è stata brevettata per la prima volta nel 1997 da Joe Cesarano e Paul Calvert al Sandia National Laboratory, dove l’hanno sviluppata come tecnica per la stampa di strutture ceramiche complesse. Da allora, la DIW è stata applicata ampiamente in una vasta gamma di studi e processi di fabbricazione al di là della ceramica. È stato utilizzato principalmente nei laboratori di ricerca per la fabbricazione e la prototipazione su piccola scala, ma la tecnica ha il potenziale per creare parti efficienti e di livello industriale. Qui, daremo un’occhiata più da vicino al processo, ai materiali e alle applicazioni alla base di DIW, evidenziandone i vantaggi e i limiti.

Come funziona la Direct Ink Writing? Lavorazioni e Materiali:

In genere, il processo fondamentale per DIW è lo stesso di qualsiasi processo di stampa 3D. Gli utenti hanno bisogno di un modello 3D creato tramite CAD (Computer-Aided Design) e di un file di percorso di movimento da un software di slicing. Con la DIW si possono lavorare quasi tutti i materiali, a condizione che l’inchiostro presenti il comportamento reologico corretto, cioè la tensione di snervamento appropriata sotto taglio e compressione, insieme a proprietà viscoelastiche adeguate. Di conseguenza, questa tecnologia consente di stampare una vasta gamma di inchiostri in strutture 3D complesse con patter ad alta risoluzione, flessibilità architettonica e caratteristiche del materiale su misura. Questa è la vera differenza con le altre tecnologie AM come FDM e SLA, che sono vincolate invece dalla classe di materiale. Inoltre, la DIW è versatile grazie alla sua capacità di utilizzare più ugelli per creare strutture multimateriali.

Nella DIW, la pressione applicata forza gli inchiostri liquidi attraverso un ugello e questa pressione può alterare la viscosità dell’inchiostro. Questa è una distinzione fondamentale della DIW: invece di utilizzare il calore, la DIW stampa gli inchiostri a temperatura ambiente, rendendo quindi cruciali le proprietà reologiche dell’inchiostro. Dopo l’uscita dall’ugello e prima della deposizione finale, l’inchiostro non è completamente a riposo. Al contrario, il materiale si piega e si allunga a seconda del rapporto tra la velocità di estrusione e la velocità dei movimenti della testina di stampa. Una volta depositato, l’inchiostro si solidifica naturalmente o attraverso processi esterni come evaporazione, cambiamenti di fase, trattamento termico o gelificazione.

I ricercatori hanno sperimentato molti tipi di materiali per DIW, tra cui polimeri, ceramiche, cemento, grafene, vetro, cere, idrogel, leghe e metalli puri e persino alimenti. Tuttavia, questi materiali devono essere trasformati in inchiostri viscoelastici a base di gel che presentino un comportamento pseudoplastico. Una viscosità tipica per un inchiostro DIW è compresa tra 10² e 10⁶ millipascal·secondo, misurata a un tasso di taglio di circa 0,1 s⁻¹. Ciò significa che sotto sforzo di taglio, la viscosità diminuisce, rendendo l’inchiostro stampabile tramite DIW. Quindi, a seconda del materiale e dell’applicazione, seguiranno varie fasi di post-elaborazione.

Vantaggi and Svantaggi della DIW

Come accennato in precedenza, il processo si distingue per la sua capacità di elaborare una vasta gamma di materiali, purché venga raggiunta la corretta reologia. Tuttavia, questa stessa caratteristica significa che qualsiasi nuovo materiale deve essere attentamente formulato per soddisfare severi requisiti reologici, che possono rallentare l’adozione di nuovi sistemi.

Inoltre, poiché la tecnologia offre la possibilità di estrudere a temperatura ambiente, è conveniente per lavorare con composti sensibili al calore. Aiuta anche a superare le restrizioni di altri metodi di estrusione, che si basano su temperature elevate. Anche così, la stampa rimane relativamente lenta e la qualità dell’interfaccia tra i livelli può essere compromessa quando la velocità viene aumentata. Di conseguenza, può essere difficile bilanciare efficienza e prestazioni strutturali.

La DIW offre una notevole libertà in termini di configurazione del sistema, poiché può essere modificata con componenti economici e adattata facilmente a diverse applicazioni. Questa flessibilità hardware è notevole, ma la tecnica rimane limitata principalmente agli ambienti di produzione e ricerca su piccola scala, poiché il suo tasso di produzione e la sua risoluzione non soddisfano gli standard richiesti per i processi industriali ad alto volume.

Un’altra caratteristica interessante del processo è la sua capacità di generare geometrie complesse, dalle strutture autoportanti alle forme a mano libera che non richiedono stampi o supporti aggiuntivi. Tuttavia, quando si cerca di crescere verticalmente o di produrre lunghi sbalzi, il peso della parte stessa può causare deformazioni o guasti, specialmente in strutture di grandi dimensioni.

Principali applicazioni

Data l’ampia gamma di materiali per DIW, la tecnica ha una vasta gamma di applicazioni. Alcuni dei più comuni sono per l’accumulo di energia, i dispositivi ottici e fotonici, nonché il settore biomedicale e l’ingegneria tissutale.

Per l’accumulo di energia, la DIW viene utilizzata per fabbricare dispositivi di accumulo di energia elettrochimica (EES), come batterie agli ioni di litio e supercondensatori. Inoltre, questa tecnologia può creare strutture su micro/nanoscala che offrono prestazioni elettrochimiche eccezionali, consentendo agli elettroni e agli ioni di muoversi attraverso la struttura porosa con maggiore efficienza. La DIW può essere utilizzata per creare dispositivi con elevata conduttività e un’area superficiale altamente specifica, il che si rivela molto utile per componenti e dispositivi elettronici.

Nel settore medico, i ricercatori hanno creato strutture di supporto biodegradabili, elastomeri autoguarenti e allungabili, robotica morbida, dispositivi indossabili e altro ancora. Una delle applicazioni DIW più promettenti è l’uso di idrogel per emulare i tessuti biologici. Molti idrogel sono biocompatibili, il che li rende adatti all’interazione con cellule e tessuti viventi. Gli idrogel possono anche contenere molecole bioattive, fattori di crescita, prodotti farmaceutici o persino cellule viventi, rendendoli in grado di erogare farmaci mirati o rigenerare i tessuti. Grazie alla precisione garantita dalla DIW, la tecnologia può essere utilizzata anche per creare dispositivi organ-on-a-chip e sistemi microfluidici. Replicando i microambienti tissutali, queste strutture possono facilitare lo studio delle risposte ai farmaci e la progressione delle malattie in modo controllato e riproducibile.

Al di là delle applicazioni mediche ed elettriche, la DIW può essere utilizzata per tutto, dalla robotica morbida alle applicazioni di ingegneria alimentare e strutturale.

Produttori e prezzi

A differenza di altre tecnologie di produzione additiva consolidate, l’ecosistema della Direct Ink Writing è caratterizzato da una combinazione di startup e piattaforme create in ambienti accademici. Tra i produttori più importanti c’è Avay, un’azienda indiana le cui macchine sono orientate alla deposizione di inchiostri conduttivi e altri materiali isolanti. L’azienda polacca Sygnis, invece, offre sistemi per la ricerca sui materiali e per l’elettronica flessibile e la robotica. Una delle sue stampanti più popolari, la SYGNIS F-NIS, ha un prezzo compreso tra $10.759 e $13.350. Un altro marchio notevole è MakerPi. Questa azienda cinese offre stampanti focalizzate sulla stampa multimateriale con bioink e gel per laboratori biomedici, al prezzo di circa $68.526.

Accanto a questi produttori, ci sono piattaforme open source a basso costo come Printess, progettate per democratizzare la stampa DIW e utilizzarla in bioprinting, robotica morbida o progetti educativi. A sua volta, la startup spagnola PowerDIW, spin-off del centro tecnologico CIM UPC, ha sviluppato la piattaforma PowerDIW, un sistema ibrido progettato per ceramica, polimeri e materiali funzionali all’interno di progetti di ricerca e sviluppo avanzati. Poiché non esiste un prezzo pubblico per questo sistema, è necessario contattare direttamente il produttore.

In linea di massima, le stampanti DIW sono notevoli per il loro costo relativamente basso e la semplicità dei loro meccanismi di estrusione rispetto alle tecnologie di stampa 3D più complesse. Oltre ai produttori menzionati qui sopra, è importante riconoscere che la maggior parte dei sistemi di DIW sono personalizzati per applicazioni specifiche. In altre parole, i centri di ricerca e i laboratori spesso sviluppano o personalizzano le loro piattaforme per soddisfare le loro esigenze particolari, il che spiega perché ci sono meno marchi commerciali rispetto ad altri settori della stampa 3D.

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*Crediti foto di copertina: Voltera