Di tutti i metodi di produzione e prototipazione esistenti, la stampa 3D è stata di gran lunga il sistema più discusso dai media, quello che ha avuto più progetti online e il più facilmente accessibile per chiunque. Sebbene la tecnologia possa sembrare nuova, la stampa 3D risale agli anni '80, quando un'azienda chiamata 3D Systems depositò un brevetto per la costruzione di modelli in 3D utilizzando la tecnica della stereolitografia.
Il motivo per cui le stampanti 3D sono diventate disponibili per gli utenti domestici solo di recente dipende dall'uso dei brevetti, che hanno impedito lo sviluppo, la produzione e la distribuzione di tali dispositivi. Questo è anche un ottimo esempio di come i brevetti possano frenare la tecnologia ed è un buon motivo per sostenere le ragioni di chi è contrario all'uso dei brevetti. Pertanto, la tecnologia è disponibile dagli anni '80, ma ci sono voluti tre decenni prima che qualcuno la sviluppasse ulteriormente.
La maggior parte delle stampanti 3D funziona dividendo un progetto 3D in tanti sottili strati 2D orizzontali e stampando tali strati uno sopra l'altro. Le stampanti 3D più comuni utilizzano un materiale termoplastico che è avvolto su una bobina e viene estruso attraverso un ugello caldo. Alcune stampanti sono in grado di costruire modelli 3D utilizzando la carta, ritagliando ogni strato e incollandolo a quello successivo, mentre alcuni sistemi più particolari possono utilizzare la sinterizzazione laser di polvere metallica.
Cosa si intende per elettronica stampata in 3D?
I dispositivi elettronici stampati in 3D sono componenti elettronici prodotti tramite un processo additivo con una stampante. Tuttavia, l'espressione "elettronica stampata in 3D" può essere facilmente fraintesa, poiché alcuni potrebbero ritenere i dispositivi elettronici stampati in 2D come non stampati in 3D.
La verità è che la maggior parte (se non tutta) l'elettronica stampata in 2D è in 3D e ciò dipende dalla necessità di avere più strati posizionati uno sopra l'altro. Lo stesso vale per i transistor sui semiconduttori: sebbene i transistor siano considerati dispositivi 2D, in realtà sono strutture 3D che richiedono processi additivi e sottrattivi per essere realizzati (come strati gate, source e di isolamento).
Attualmente, la maggior parte dell'elettronica stampata ha poche applicazioni pratiche e viene utilizzata raramente nel mondo reale. Questo accade perché l'elettronica tradizionale è più facile da produrre, oltre che più economica e robusta. Tuttavia, si sta facendo parecchia ricerca per provare a creare dispositivi funzionali. I ricercatori hanno già creato resistori, condensatori, diodi e transistor utilizzando metodi di stampa 3D e, sebbene vengano utilizzati molti materiali diversi, questi sono generalmente basati sul grafene o su un polimero organico. Il grafene offre ai ricercatori la possibilità di creare gate e canali stretti, consentendo anche il drogaggio, fondamentale per modificare la conduzione di questo materiale. I polimeri organici possono essere facilmente distribuiti in forma di soluzione (rendendoli così ideali per le stampanti a getto d'inchiostro), oltre a fornire flessibilità.
Esempi di elettronica stampata
Sebbene si stia facendo molta ricerca nel settore dell'elettronica stampata, una sua applicazione commerciale viene individuata raramente, poiché le capacità dell'elettronica stampata sono molto diverse da quelle dei sistemi elettronici standard. Inoltre, l'elettronica stampata è ancora agli inizi e, per questo motivo, la si trova nei laboratori di ricerca o nei prototipi. Quando si tratta di tecnologie che molto probabilmente diventeranno funzionali, ce ne sono due che spiccano in particolar modo: PragmatIC e Duke University.
PragmatIC
PragmatIC è un'azienda con sede nel Regno Unito che produce soluzioni elettroniche stampate per applicazioni monouso ed elettronica usa e getta come i tag RFID. Una delle caratteristiche più importanti nel caso di PragmatIC è che l'azienda utilizza un substrato flessibile, che rende i dispositivi prodotti completamente flessibili. Inoltre, la tecnologia elettronica flessibile di PragmatIC è applicabile a tutti i componenti essenziali, inclusi resistori, condensatori e transistor. Sebbene un dispositivo funzionale non sia stato completamente dimostrato, PragmatIC ha prodotto un foglio di processori core ARM utilizzando il suo processo e afferma che ogni dispositivo ha consumato 21 mW con un'efficienza energetica di appena l'1%.
Ciò che rende la tecnologia di PragmatIC diversa dai metodi standard per la realizzazione dei semiconduttori è che i dispositivi vengono stampati invece di utilizzare fasi di processo intensive come quelle che si possono osservare nelle fonderie di semiconduttori. Inoltre, sebbene i dispositivi elettronici di PragmatIC vengano costruiti strato dopo strato, l'utilizzo di sostanze chimiche organiche e transistor a film sottile spiana la strada a dispositivi completamente funzionali, che potrebbero essere costruiti utilizzando apparecchiature simili a una stampante 3D standard.
Duke University
La Duke University presenta uno degli esempi più significativi di elettronica stampata funzionale che supera il tipico ciclo di vita di un prodotto. Nel 2021, Duke University ha dimostrato un nuovo metodo per creare componenti elettronici stampati, inclusi resistori, condensatori e transistor, utilizzando un procedimento additivo simile a quello delle stampanti 3D. I componenti sono a base di carbonio e costruiti utilizzando un sistema di spruzzatura ad aerosol (cioè simile alla tecnologia a getto d'inchiostro) e gli strati isolanti sono realizzati utilizzando cellulosa.
I ricercatori non sono solo in grado di stampare componenti su un pezzo di substrato flessibile, ma possono anche aggiungere strati isolanti e questo può portare all'aggiunta di più dispositivi sugli strati superiori, per creare un vero e proprio circuito 3D. Sebbene i transistor sviluppati dal team siano estremamente grandi (millimetri anziché micrometri), sono perfettamente funzionanti e continuano a operare anche se manipolati meccanicamente.
La caratteristica più importante dei circuiti stampati è che i progetti sono completamente riciclabili. L'uso di composti organici e grafene consente ai ricercatori di dissolvere i vecchi circuiti e recuperare gli inchiostri per la ristampa. Ciò potrebbe consentire ai futuri dispositivi elettronici stampati di essere completamente riciclabili, evitando così l'uso delle discariche quando i dispositivi vecchi devono essere sostituiti con quelli nuovi.
Applicazioni pratiche dell'elettronica stampata in 3D
Per capire quali applicazioni fornirebbe l'elettronica stampata in 3D, dobbiamo prima individuarne i vantaggi:
- Consente la prototipazione rapida dei circuiti
- Consente la personalizzazione completa del design finale
- Consente potenzialmente di impilare i progetti (cioè di creare parti attive in tutte le dimensioni)
- Elimina la necessità di processi estremamente complessi
- Risulta potenzialmente del tutto riciclabile
La prima potenziale applicazione per l'elettronica stampata in 3D è la possibilità di creare progetti personalizzati in luoghi remoti. Ad esempio, le stampanti 3D potrebbero essere essenziali per le future missioni spaziali che mirano a colonizzare corpi extraterrestri come Marte e la luna. Tali sistemi permetterebbero ai colonizzatori di creare i propri prodotti elettronici senza la necessità di fare affidamento sulla Terra per produrre circuiti integrati e altri componenti.
La capacità di realizzare rapidamente i progetti potrebbe rendere l'elettronica stampata in 3D ideale per riparazioni e sostituzioni di emergenza. Ad esempio, le navi e i campi base militari potrebbero utilizzare sistemi di stampanti 3D per sostituire e riparare i difetti di apparecchiature chiave. Poiché gli ambienti militari possono essere sia ostili che difficili da raggiungere, la possibilità di inviare parti di ricambio potrebbe risultare compromessa; quindi, qualsiasi piattaforma o installazione militare dotata di stampanti 3D potrebbe avere un vantaggio rispetto agli ambienti ostili.
Con i progressi della tecnologia, i componenti elettronici più vecchi, il cui utilizzo non è più molto diffuso, non vengono più fabbricati dai produttori. Sebbene ciò non influisca sui progetti moderni, i sistemi obsoleti ancora necessari (come centrali elettriche e infrastrutture critiche) possono essere vulnerabili all'interruzione della produzione dei componenti. L'uso dell'elettronica stampata in 3D potrebbe consentire la stampa di tali parti, garantendo così che i sistemi più vecchi possano continuare a funzionare mentre si cerca di reperite delle alternative.
Uno dei principali vantaggi dell'elettronica stampata è la capacità di combinarsi con le normali stampanti 3D. Un design a più ugelli potrebbe stampare contemporaneamente plastica strutturale e componenti, consentendo fondamentalmente di costruire un intero progetto in un unico passaggio. L'elettronica potrebbe essere facilmente integrata in qualsiasi parte di una struttura stampata in 3D, inclusi componenti e cavi, creando progetti attualmente troppo difficili da produrre. Ciò potrebbe anche permettere di stampare i componenti verticalmente sulle pareti, cosicché gli ingegneri sarebbero in grado di utilizzare tutte e tre le dimensioni su un PCB, anziché solo due.
Perché dovremmo gestire le nostre aspettative sull'elettronica stampata in 3D?
Sebbene l'idea dell'elettronica stampata in 3D sia affascinante e promettente, è importante gestire le aspettative ad essa collegate. Di tutte le sfide affrontate nel caso dell'elettronica stampata in 3D, quella di gran lunga più impegnativa è rappresentata dal fatto che questi dispositivi hanno una densità di transistor molto bassa. Ciò significa che le loro capacità di elaborazione dei dati sono significativamente inferiori rispetto ai moderni processori e quindi non possono essere considerate funzionali per i dispositivi commerciali.
Di conseguenza, è improbabile che l'elettronica stampata in 3D riesca a sostituire i dispositivi al silicio. Gli attuali processi di produzione sono estremamente efficienti nella realizzazione di elettronica a prezzi estremamente bassi. I processori moderni possono essere venduti per diverse centinaia di dollari, ma la maggior parte dei microcontroller si vende a meno di un dollaro. Con il passare del tempo, i processori più moderni diminuiscono di prezzo e alla fine diventano abbastanza economici da poter essere utilizzati nelle apparecchiature di tutti i giorni.
Un'altra sfida per l'elettronica stampata in 3D potrebbe essere un problema che affligge le stampanti 3D in generale: i loro progetti sono strutturalmente deboli. È vero che le parti stampate in 3D possono essere realizzate in metallo e che le parti stampate in plastica sono molto più resistenti di quanto sembrino, ma fondamentalmente queste parti sono dei prototipi. Una parte in plastica stampata a iniezione sarà sempre più resistente di una parte stampata in 3D, semplicemente perché il sistema di stampa 3D è costretto a lavorare per strati. Ad esempio, la plastica su ogni singolo strato è estremamente resistente, ma la plastica di strati adiacenti non è completamente fusa insieme e questo crea dei bordi di grano. Pertanto, qualsiasi forza applicata lungo gli strati di un progetto stampato in 3D può provocarne la rottura con facilità. Gli stessi problemi possono affliggere l'elettronica stampata in 3D, in particolare quella costruita con più strati sovrapposti.
Conclusione
L'elettronica stampata in 3D è ancora agli inizi, ma non c'è dubbio che ciò che i ricercatori hanno sviluppato è sicuramente interessante. Tuttavia, è improbabile che tale tecnologia inizi a sostituire l'elettronica in ambito commerciale per i prossimi dieci o vent'anni. È più probabile che l'elettronica stampata in 3D venga utilizzata in applicazioni di nicchia come le antenne stampate negli smartphone o i tag RFID sui prodotti, poiché queste applicazioni sono molto meno impegnative dei processori o della memoria.
