IIT e Politecnico di Torino sviluppano materiali compositi a base di fotopolimeri e CNT per il 3D printing DLP

I ricercatori italiani dell’Istituto Italiano di Tecnologia per le Tecnologie Future Sostenibili (IIT-CSFT) di Torino e il Politecnico di Torino hanno sviluppato un materiale composito a base di fotopolimeri e CNT (nanotubi di carbonio) che possono essere stampati in 3D tramite stereolitografia DLP per realizzare parti funzionali. Lo studio  è stato pubblicato sulla rivista Science Direct.

L’esigenza di materiali con performance elevate e funzionalità smart stampabili in 3D è in costante aumento dato che è stato possibile convertire il nucleo principale del 3D printing polimerico dalla prototipazione rapida a una gamma più ampia di applicazioni più sofisticate: dalla medicina all’elettronica e oltre.

I ricercatori italiani Annalisa Chiappone e Ignazio Roppolo dell’Istituto Italiano di Tecnologia per le Tecnologie Future Sostenibili (IIT-CSFT) di Torino, con la supervisione del Prof. Candido Fabrizio Pirri e in collaborazione con il Prof. Marco Sangermano del Politecnico di Torino, studiano nuovi materiali stampabili in 3D dall’inizio del 2015.

Sfruttando i loro background e le competenze nel campo della fotopolimerizzazione, gli studiosi hanno concentrato la ricerca sulle tecnologie di stampa attraverso reazioni foto-indotte, come ad esempio DLP e SL. Con queste tecniche e scegliendo gli ingredienti giusti per formulazioni liquide fotocurabili, badando al mantenimento di una buona stampabilità, è possibile realizzare su misura le proprietà definitive degli oggetti prodotti.

La strategia più comune per la modifica delle proprietà dei materiali consiste nell’aggiunta di un filler, proprio come hanno fatto i ricercatori in un lavoro pubblicato di recente¹, in cui i nanotubi di carbonio (CNT) sono stati aggiunti ad una formulazione acrilica. L’aggiunta di  CNT provoca problemi di dispersione e stabilità, un vasto aumento della viscosità della formulazione e una massiccia riduzione della profondità di penetrazione della luce, per cui la scelta del diluente più idoneo e della giusta quantità di attivatore sono state fondamentali per raggiungere la stampabilità del materiale. Le strutture stampate, contenenti fino a 0,5wt% di CNT, hanno dimostrato di migliorare la conduttività elettrica e le proprietà meccaniche.

“Siamo in grado di stampare forme molto semplici contenenti 0,5%wt di CNT e geometrie più complesse contenenti 0,1 o 0,3 wt%,” ha affermato il Professor Marco Sangermano del Politecnico di Torino. “L’introduzione dei CNT nel polimero stampato induce un aumento della conduttività (da 2,00E-09 S/cm per il polimero a 2,00E-05 S/cm per i composti CNT a 0,5 wt%) ma il valore è ancora troppo basso per affermare di essere in possesso di pezzi con proprietà di conduzione. L’uso di sorgenti luminose più potenti potrebbe consentire la stampa di compositi contenenti maggiori quantità di CNT e raggiungere quindi maggiori valori di conduttività.”

Determinati ad evitare i problemi di viscosità e stabilità, i ricercatori dell’IIT hanno concepito un approccio bottom-up alternativo in cui i precursori liquidi o solubili delle nanoparticelle possono essere aggiunti a una miscela foto-sensibile al fine di ottenere la funzionalità necessaria direttamente nel pezzo stampato tramite un passaggio di post-elaborazione.

A tal proposito, il nitrato di argento è stato aggiunto a una miscela reattiva per indurre la generazione di nanoparticelle d’argento in situ durante la post-elaborazione UV delle parti stampate² o attraverso un trattamento termico successivo.³ Tale approccio ha consentito la formazione di strutture di argento polimerico estremamente precise, con proprietà elettriche promettenti e che potrebbero quindi diventare un’alternativa competitiva per la produzione di strutture composite in 3D nel mercato dei componenti elettronici.

Seguendo la medesima strategia sono state generate direttamente nanoparticelle di silice in una matrice foto-curata strutturata in 3D con la dispersione di precursore di alcossido di metallo nella formulazione iniziale e sottoponendo la parte stampata ad una post-elaborazione con processo sol-gel in vapori acidi.⁴ Questo procedimento ha consentito di generare una fase rinforzante nel mezzo polimerico senza dover far fronte ai suddetti inconvenienti. I materiali ibridi risultanti presentano proprietà meccaniche migliorate e potrebbero avere un enorme potenziale per le applicazioni in una moltitudine di tecnologie avanzate.

Gli studi sviluppati nei laboratori di IIT/PoliTO aprono la possibilità di sviluppare oggetti funzionali con geometrie complesse tramite un procedimento semplice ma molto accurato.

Crediti:

1. Gonzalez, G.; Chiappone, A.; Roppolo, I.; Fantino, E.; Bertana, V.; Perrucci, F.; Scaltrito, L.; Pirri, F.; Sangermano, M., Development of 3D printable formulations containing CNT with enhanced electrical properties. Polymer 2017, 109, 246-253.
2. Fantino, E.; Chiappone, A.; Roppolo, I.; Manfredi, D.; Bongiovanni, R.; Pirri, C. F.; Calignano, F., 3D Printing of Conductive Complex Structures with in Situ Generation of Silver Nanoparticles. Advanced Materials 2016, 28 (19), 3712-3717.
3. Fantino, E.; Chiappone, A.; Calignano, F.; Fontana, M.; Pirri, F.; Roppolo, I., In situ thermal generation of silver nanoparticles in 3D printed polymeric structures. Materials 2016, 9 (7).
4. Chiappone, A.; Fantino, E.; Roppolo, I.; Lorusso, M.; Manfredi, D.; Fino, P.; Pirri, C. F.; Calignano, F., 3D Printed PEG-Based Hybrid Nanocomposites Obtained by Sol-Gel Technique. ACS Applied Materials and Interfaces 2016, 8 (8), 5627-5633.

In evidenza

• È stata dimostrata la fattibilità del DLP-3D printing  di oggetti in nanocompositi di CNT-acrilici.

• È stata sviluppata una formulazione che regola la stabilità della viscosità e della stabilità.

• Sono stati presi in esame la composizione migliore e i parametri di stampa per FT-IR e foto-reologia.

• Sono stati stampati in 3D oggetti a base di nanocompositi  con un contenuto fino a 0,3 wt% di CNT.

• Le misurazioni della conduttività elettrica sui campioni stampati offre risultati promettenti.

Abstract

Questo studio ha dimostrato la fattibilità della stampa in 3D di oggetti a base di compositi con formulazioni acriliche foto-curabili contenenti CNT, usando una stampante DLP commerciale non modificata. Nelle indagini preliminari, è stata sviluppata la formulazione più idonea. Le stabilità di dispersione e viscosità sono state regolate aggiungendo un diluente reattivo alla formulazione acrilica. Le analisi FT-IR in tempo reale e i test di foto-reologia hanno consentito di individuare la miglior composizione e i migliori parametri di stampa.

Le condizioni di stampa sono state regolate per ottenere strutture in 3D da formulazioni con un contenuto fino a  0,3 wt % di CNT. La presenza del filler provoca una diminuzione della densità di reticolazione alla quale si potrebbe ovviare usando sorgenti luminose ad alta intensità. Le misurazioni effettuate relativamente alla conduttività elettrica dei campioni stampati hanno fornito risultati promettenti per l’uso della formulazione sviluppata nella realizzazione di strutture in 3D con proprietà elettriche.