Nuovi processi per la stampa 3D di materiali piezoelettrici

Alcuni ingegneri dell'Università Virginia Tech hanno sviluppato processi per la stampa 3D di materiali piezoelettrici. I ricercatori americani, in sostanza, hanno trovato un modo per rendere un materiale duro, voluminoso e costoso, che viene utilizzato nella maggior parte dei componenti elettronici, più morbido, flessibile ed economico.

Xiaoyu Rayne Zheng, assistente professore di ingegneria meccanica presso il College of Engineering, e membro del Macromolecules Innovation Institute di Virginia Tech e il suo team hanno sviluppato metodi per stampare in 3D materiali piezoelettrici, ossia che possono essere progettati su misura per convertire movimento, impatto e tenzione da qualsiasi direzione in energia elettrica.

Come sintetizza brillantemente Zheng in una nota di Virginia Tech "I materiali piezoelettrici convertono la tensione in cariche elettriche".

I materiali piezoelettrici sono disponibili solo in alcune forme definite e sono fatti prevalentemente da cristalli. Il gruppo di lavoro guidato da Zheng ha sviluppato una tecnica per stampare in 3D questi materiali in modo che non siano limitati dalla forma o dalle dimensioni.

I progressi nella tecnologia di produzione dei materiali piezoelettrici hanno portato alla necessità di disporre di clean room per la loro produzione in pellicole o parti da utilizzare nell'elettronica. Ma l'intrinseca fragilità del materiale e i costi di trasformazione ne hanno limitato la capacità di massimizzare il potenziale del materiale.

Gli autori del lavoro oltre a Xiaoyu Rayne Zheng di ingegneria meccanica, sono Huachen Cui (Ingegneria meccanica), Ryan Hensleigh (Virginia Tech Macromolecole Innovation Institute), Desheng Yao (ME), Deepam Maurya (ME), Prashant Kumar (ME), Min Gyu Kang (ME ), Shashank Priya, (Istituto di ricerca sui materiali della ME & Penn State).

Il team di Zheng ha sviluppato un modello che consente di manipolare e progettare costanti piezoelettriche arbitrarie, dando luogo al materiale che genera un movimento di carica elettrica in risposta alle forze in entrata e alle vibrazioni provenienti da qualsiasi direzione, tramite un insieme di topologie stampabili in 3D.

A differenza dei piezoelettrici convenzionali in cui i movimenti di carica elettrica sono determinati dai cristalli, il nuovo metodo consente agli utenti di programmare le risposte di tensione da ingrandire, invertire o sopprimere in qualsiasi direzione.

Come spiega Zheng nella nota di Virginia Tech, "Abbiamo sviluppato un metodo di progettazione e una piattaforma di stampa per progettare liberamente la sensibilità e le modalità operative dei materiali piezoelettrici. Programmando la topologia attiva 3D, è possibile ottenere praticamente qualsiasi combinazione di coefficienti piezoelettrici all'interno di un materiale e usarli come trasduttori e sensori che non sono solo flessibili e resistenti, ma possono anche rispondere a pressioni, vibrazioni e impatti tramite segnali elettrici che indicano la posizione, l'ampiezza e la direzione degli impatti all'interno di qualsiasi posizione di questi materiali".

Stampa 3D di inchiostri piezoelettrici

Un fattore limitante dell'attuale fabbricazione piezoelettrica è proprio la disponibilità del cristallo naturale utilizzato. A livello atomico, l'orientamento degli atomi è fisso.

Il gruppo di ricercatori di Virginia Tech ha prodotto un sostituto che imita il cristallo, ma consente di modificare l'orientamento del reticolo in base alla progettazione.

Il lavoro del team è supportato in parte dalla National Science Foundation, dall'Air Force Office of Scientific Research, dall'Office of Naval Research e dal Virginia Tech Institute of Critical Technology Junior Faculty Award.

Come spiega Zheng, sono stati sintetizzati inchiostri piezoelettrici altamente sensibili che possono essere scolpiti in complesse caratteristiche tridimensionali con luce ultravioletta.

Gli inchiostri contengono nanocristalli piezoelettrici altamente concentrati legati con gel sensibili ai raggi UV, che formano una soluzione che viene data a una stampante 3D.

Il team ha dimostrato i materiali stampati in 3D su una scala che misura una frazione del diametro di un capello umano.

Il materiale ha sensibilità cinque volte superiori rispetto ai polimeri piezoelettrici flessibili. La rigidità e la forma del materiale possono essere regolate e prodotte come un foglio sottile simile a una striscia di garza, o come un blocco rigido.

Sono stati stampati materiali intelligenti avvolti attorno a superfici curve, indossati sulle mani e sulle dita per convertire il movimento e raccogliere l'energia meccanica, ma le applicazioni vanno oltre i dispositivi indossabili e l'elettronica di consumo.

Zheng vede possibilità nella robotica, nella raccolta di energia, nel rilevamento tattile e nell'infrastruttura intelligente, dove una struttura che è interamente realizzata con materiale piezoelettrico, rileva impatti, vibrazioni e movimenti e consente di monitorarli e localizzarli.

È stato realizzato un trasduttore intelligente che converte i segnali di vibrazione sott'acqua in tensioni elettriche.

 

 

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