In ENEA sono disponibili competenze per lo sviluppo di materiali stampabili (in due e tre dimensioni) di vario genere, nonché attrezzature per la stampa diretta dei materiali.

L’avvento dell’Additive Manufacturing (AM) e delle stampanti 3D, apre a nuove possibilità costruttive alternative ai metodi di produzione tradizionali di componenti: superare il limite della complessità di design delle tecnologie di formatura tradizionali, realizzare in tempi rapidi prodotti personalizzati e su richiesta, minimizzare lo scarto di materiale iniziale e ridurre sensibilmente i costi particolarmente elevati della lavorazione meccanica.

Le tecniche di prototipazione rapida, possono essere viste come innovativi metodi di “formatura” anche di materiali ceramici, costruendo il componente mediante addizione, uno strato dopo l’altro, del materiale più adatto, a partire dal file in formato STL generato dalla scomposizione in strati elementari fornita dal disegno CAD.

Anche le tecniche di stampa digitale diretta, in due dimensioni, di materiali funzionali fluidi, tecniche sostanzialmente analoghe a quelle della stampa grafica, possono essere adattate a materiali metallici, semiconduttori o sensibili a stimoli esterni

In particolare, presso i Laboratori di Faenza, l’applicazione dell’AM facilita l’introduzione dei materiali ceramici tecnici nel mercato, richiedendo lo sviluppo di materie prime in alimentazione alle stampanti. Sono disponibili le tecniche Digital Light Processing (DLP), Liquid Deposition Modeling (LDM) e Prototipazione rapida SLS.

Digital Light Processing (DLP)

In questa tecnica, una resina liquida fotosensibile viene caricata con polvere ceramica per ottenere una miscela (slurry) “fotopolimerizzabile” con adeguato contenuto solido ed idonea viscosità. Un software converte il disegno tridimensionale dell’oggetto da realizzare in una serie di sezioni orizzontali. Queste sezioni, tramite una sorgente luminosa, vengono proiettate sullo slurry, polimerizzandolo strato per strato, fino all’ottenimento dell’oggetto completo, che dovrà successivamente essere sinterizzato per consentire il consolidamento del componente ceramico.

Vengono sviluppati slurry fotosensibili costituiti da polveri di materiali ceramici ossidici, quali principalmente allumina e zirconia, disperse all’interno di resine fotosensibili opportunamente preparate in modo da massimizzare l’efficienza del processo di fotopolimerizzazione. Gli slurry ceramici fotosensibili trovano applicazione per l’ottenimento di componenti a geometria complessa, con cavità interne, pareti sottili e in cui è richiesto un elevato grado di dettaglio. Vengono positivamente utilizzati, per esempio, nel settore della protesica dentale, in particolare per la realizzazione di corone dentali altamente personalizzate ottenute con materiali ceramici a base zirconia (ZrO2).

Liquid Deposition Modeling (LDM)

In questo caso I ceramici tecnici vengono ottenuti a partire da una pasta ceramica che viene estrusa in forma di filo e depositata, strato per strato, grazie ad un sistema movimentato da un robot. Gli spostamenti del robot sono definiti dal disegno originario del componente da realizzare.

Sono presenti competenze e attrezzature per lo sviluppo e messa a punto di di paste ceramiche con caratteristiche reologiche idonee alla stampa 3D. Sono oggetto di sviluppo paste in ceramici ossidici, ad esempio a base allumina, zirconia, titania, ma anche non ossidici a base di carburo di silicio  anche addizionati con composti intermetallici elettroconduttivi (MoSi2). Le applicazioni riguardano ad esempio elementi refrattari per camere di combustione, preforme porose per MMC, componenti per applicazioni termoelettriche, supporti catalitici e membrane.

Prototipazione rapida SLS per la produzione di componenti in poliammide

L’impianto EOSINT P700 effettua la sinterizzazione laser diretta (SLS) tramite laser di polveri di poliammide, lavorando per strati successivi, in una logica di AM, con un volume utile di 700x380x580mm. L’impianto permette di ottenere oggetti in poliammide ad elevato contenuto estetico, ottima finitura superficiale ed eccellenti caratteristiche di resistenza termica e meccanica. 

Gli oggetti possono quindi essere prodotti per applicazioni differenti:

• componenti con buone proprietà termostrutturali utilizzabili come prodotti finiti, come stampi per produzioni industriali;
• oggetti di design utili alle verifiche estetiche e per la creazione di simulacri a scopo divulgativo/pubblicitario;
• prototipi adatti anche a verifiche funzionali come, ad esempio, verifica degli accoppiamenti tra le parti di un dispositivo e verifica della fluidodinamica in applicazioni aerodinamiche.

I componenti prodotti sono utilizzabili fino ad una temperatura di 170°C e, quindi, sono verniciabili a caldo con l’intera gamma di vernici metallizzate utilizzate in automotive, sterilizzabili in autoclave e certificati per l’uso in sala operatoria.

Presso i Laboratori di Portici, sono state specializzate competenze per la stampa 2D di materiali funzionali, applicate allo sviluppo dell’elettronica organica, delle sorgenti di luce stampabili, di celle solari e sensori. Esse ricalcano le tecnologie per la stampa grafica e promettono di realizzare compenenti e dispositivi complessi stampabili, talora con tecniche ad alta velocità e addirittura con la tecnologia “roll to roll”.

Stampa Rotocalco

La stampa rotocalco, la più diffusa dal punto di vista industriale, grazie alla sua capacità di combinare alta velocità di produzione e alta qualità, risulta molto interessante per la realizzazione di film sottili funzionali ad alto valore tecnologico, in vari ambiti che possono spaziare dall’optoelettronica al biomedicale, alla sensoristica, al campo energetico, offrendo inoltre la possibilità di realizzazione in linea di dispositivi completi con strutture multi-strato. Ad oggi, con questa tecnica sono stati realizzati film polimerici, inorganici e compositi integrati consuccesso in diversi dispositivi, dimostrando che la rotocalco è un processo trasversale e vantaggioso di produzione sostenibile.

Stampa Serigrafica (Screen Printing)

E’ ampiamente diffusa in industria nei settori della grafica, del packaging, delle arti nella ceramica, della stampa su indumenti e nel campo elettronico per la realizzazione di circuiti stampati. Combina un’alta qualità di stampa con elevate velocità di produzione anche su larga area. Inoltre la serigrafia può essere implementata all’interno di un processo R2R. Con la stampa serigrafica sono stati realizzati dispositivi elettronici organici su substrato flessibile quali celle fotovoltaiche (OPV), diodi elettroluminescenti (OLED). Inoltre sono state realizzate antenne per tag RFID (Radio Frequency IDentification) per consentire la tracciabilità dei prodotti lungo la catena di distribuzione.

Stampa a Getto di Inchiostro (Inkjet Printing, IJP)

La stampa a getto d’inchiostro è una tecnologia digitale che, affermatasi nel settore dell’arte grafica, attualmente occupa un ruolo centrale in campi diversificati, quali energetico, ottico, ambientale, biomedicale, farmaceutico, ed altri ancora. Permette di depositare materiali funzionali in fase liquida in maniera selettiva, secondo geometrie miniaturizzate anche complesse, realizzando film sottili monostrato o multistrato, su substrati flessibili e non, anche in configurazione ”roll-to-roll”. Le attività di ricerca sono focalizzate in applicazioni ottiche per la realizzazione di microlenti, e applicazioni elettroniche, con la realizzazione di transistori, capacitori, celle solari, sensori, a base organica ed inorganica, unicamente mediante IJP oppure IJP in congiunzione con tecniche tradizionali.