I ricercatori della NUS innovano la fabbricazione di circuiti stampati in 3D

I ricercatori della National University of Singapore (NUS) hanno migliorato i circuiti stampati in 3D con la loro nuova tecnica, CHARM3D a tensione, che consente la fabbricazione di circuiti elettronici 3D autoriparanti senza materiali di supporto o pressione esterna.

Guidato dal professore associato Benjamin Tee del Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali della NUS, il team ha utilizzato il metallo di Field per dimostrare la capacità di CHARM3D di produrre design compatti per dispositivi come sensori indossabili, sistemi wireless e metamateriali elettromagnetici. In ambito sanitario, CHARM3D può sviluppare monitor dei segni vitali senza contatto, migliorando il comfort del paziente e consentendo un monitoraggio continuo. Migliora le prestazioni delle antenne 3D per il rilevamento del segnale, migliorando i sistemi di comunicazione, l’imaging medico e le applicazioni di sicurezza.

I risultati dello studio sono stati pubblicati su Nature Electronics.

Produzione semplificata di circuiti 3D

I circuiti elettronici 3D sono fondamentali per l’elettronica moderna, poiché migliorano le funzionalità e consentono la miniaturizzazione di batterie, robotica e sensori. Le architetture 3D migliorano la capacità della batteria e la sensibilità del sensore grazie alle loro ampie superfici effettive.

Attualmente, la scrittura a inchiostro diretto (DIW) viene utilizzata per realizzare circuiti 3D, ma presenta degli svantaggi dovuti alla bassa conduttività degli inchiostri compositi e alla necessità di materiali di supporto. Questi inchiostri sono anche troppo viscosi, il che limita la velocità di stampa.

Il metallo di Field, una lega eutettica di indio, bismuto e stagno, offre un’alternativa con un basso punto di fusione di 62 °C, elevata conduttività e bassa tossicità. Questa lega si solidifica rapidamente, consentendo alla tecnica CHARM3D di stampare senza materiali di supporto o pressione esterna.

CHARM3D sfrutta la tensione tra il metallo fuso in un ugello e il bordo d’attacco della parte stampata per creare strutture di microfili uniformi e lisce con larghezze da 100 a 300 micron, più o meno la larghezza di ciocche di capelli umani. Questo metodo evita problemi come perline e superfici irregolari tipiche della DIW a pressione.

Rispetto al DIW convenzionale, CHARM3D stampa più velocemente (fino a 100 mm al secondo) e con una risoluzione più elevata, consentendo una fabbricazione di circuiti dettagliata e accurata. Consente la creazione di complesse strutture 3D autoportanti come lettere verticali, strutture cubiche ed eliche scalabili, con proprietà auto-riparanti e riciclabili.

“Offrendo un approccio più rapido e semplice alla stampa 3D in metallo per la produzione avanzata di circuiti elettronici, CHARM3D è estremamente promettente per la produzione su scala industriale e l’adozione diffusa di complessi circuiti elettronici 3D”, ha affermato il professore associato Benjamin Tee.

Diverse applicazioni

I ricercatori della NUS sono riusciti a stampare in 3D circuiti per sensori di temperatura indossabili senza batteria, antenne per il monitoraggio wireless dei parametri vitali e metamateriali per la manipolazione delle onde elettromagnetiche.

Le apparecchiature ospedaliere tradizionali come elettrocardiogrammi e pulsossimetri richiedono il contatto con la pelle, il che può essere scomodo e rischioso. CHARM3D può integrare sensori senza contatto in indumenti e antenne intelligenti, fornendo un monitoraggio sanitario continuo e accurato in vari contesti.

Inoltre, le antenne 3D o i sensori metamateriali elettromagnetici realizzati con CHARM3D possono migliorare le applicazioni di rilevamento ed elaborazione del segnale, portando a rapporti segnale/rumore migliorati e larghezze di banda più elevate. Questa tecnologia potrebbe creare antenne specializzate per comunicazioni mirate, migliorare l’imaging medico e aumentare la sicurezza rilevando dispositivi nascosti che emettono firme elettromagnetiche specifiche.

Tra i collaboratori figurano il dott. Zhuangjian Liu dell’Institute of High-Performance Computing dell’Agenzia per la scienza, la tecnologia e la ricerca e il professor Michael Dickey del Dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare della North Carolina State University.

Il team prevede di estendere questa tecnica ad altri metalli e applicazioni strutturali e sta cercando opportunità per commercializzare il suo esclusivo approccio alla stampa dei metalli.