Deposizione di rame per minuscoli oggetti 3D
Un nuovo processo di microstampa 3D consente agli scienziati di produrre facilmente componenti metallici minuscoli e complessi. La tecnologia utilizzata è stata progettata dai ricercatori di Fare all'ETH anni fa per la ricerca biologica e ora è stata ulteriormente sviluppata per un campo di applicazione completamente diverso.
Gli scienziati dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato un nuovo processo per la microstampa 3D. Questo processo consente di produrre strutture minuscole, a volte sporgenti, in modo semplice e con un'unica operazione. Un giorno potrebbe essere utilizzato per produrre componenti di orologi complessi o micro-utensili per la chirurgia keyhole, ad esempio.
Con la maggior parte dei processi di microstampa 3D esistenti, le strutture sporgenti sono possibili solo con un trucco: un modello creato in precedenza serve come segnaposto sotto una sporgenza da stampare durante il processo di stampa. La sagoma deve essere rimossa dopo la stampa. Con la nuova tecnologia sviluppata dal dottorando Luca Hirt del Laboratorio di Biosensori e Bioelettronica, la testina di stampa può anche stampare liberamente sospesa lateralmente. Le sporgenze possono quindi essere stampate senza dime.
Pipetta minuscola
La nuova tecnologia è un ulteriore sviluppo del sistema FluidFM sviluppato diversi anni fa presso l'ETH di Zurigo (cfr. Articolo dell'ETH Life dal 26.06.2009). Il componente centrale di questo sistema è una micropipetta mobile accoppiata a una molla a balestra, che può essere controllata con estrema precisione. Il FluidFM è oggi utilizzato principalmente nella ricerca biologica e in medicina, ad esempio per selezionare e analizzare le cellule e iniettare sostanze in singole cellule. Il sistema è commercializzato da tre anni dallo spin-off Cytosurge dell'ETH.
Nell'ambito della sua tesi di dottorato all'ETH di Zurigo, Luca Hirt sta studiando la possibilità di utilizzare FluidFM per i processi di stampa. In particolare, è interessato a utilizzarlo per depositare elettrochimicamente metalli e altre sostanze in soluzione su una piastra di base conduttiva.
Galleria di immagini: Minuscoli oggetti stampati con FluidFM
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Gli oggetti mostrati qui nelle immagini di microscopia hanno una larghezza compresa tra 15 e 35 micrometri. -
Per fare un confronto: la larghezza di un capello umano è di circa 50 micrometri. -
(Tutte le immagini: ETH di Zurigo / Luca Hirt)
Reazione elettrochimica in prima linea
Il sistema ora sviluppato funziona così: una goccia di liquido viene posta su una piastra di base d'oro. La punta della micropipetta sporge al suo interno e funge da testina di stampa. Una soluzione di solfato di rame scorre lentamente e costantemente nella pipetta. Poiché gli scienziati utilizzano un elettrodo per applicare una differenza di tensione tra la goccia di liquido e la piastra di base, sotto la punta della pipetta si verifica una reazione elettrochimica: il solfato di rame che fuoriesce dalla pipetta reagisce formando rame solido, che viene depositato sulla piastra di base come un piccolo pixel 3D.
Muovendo la micropipetta sotto il controllo del computer, i ricercatori possono stampare oggetti tridimensionali pixel per pixel e strato per strato. La risoluzione spaziale dipende dalla dimensione dell'apertura della pipetta, che determina la dimensione dei depositi di rame. Attualmente gli scienziati sono in grado di produrre singoli pixel 3D con un diametro da 800 nanometri a ben cinque micrometri e di combinarli per creare oggetti tridimensionali più grandi. Nell'ambito di un primo studio di fattibilità sono stati creati alcuni spettacolari micro-oggetti. Sono fatti di rame puro non poroso e sono stabili dal punto di vista meccanico, come hanno dimostrato le ricerche degli scienziati del gruppo di Ralph Spolenak, professore di nanometallurgia all'ETH di Zurigo. Tra gli oggetti più impressionanti ci sono probabilmente tre microspirali annidati, che i ricercatori dell'ETH hanno prodotto in un unico passaggio e senza un modello.
"Non solo il rame, ma anche altri metalli possono essere stampati", afferma Tomaso Zambelli, libero docente e capogruppo presso il Laboratorio di Biosensori e Bioelettronica dell'ETH di Zurigo. E la FluidFM potrebbe anche essere adatta alla stampa 3D di polimeri e materiali compositi".
Un vantaggio del nuovo metodo rispetto ad altri processi di stampa micro 3D è che le forze che agiscono sul puntale della pipetta possono essere misurate attraverso la deflessione della molla a balestra a cui è accoppiata la micropipetta. "Possiamo utilizzare questo segnale come feedback. A differenza di altri sistemi di stampa 3D, il nostro riconosce quali aree dell'oggetto sono già state stampate", spiega il dottorando Hirt. Questo aiuta ad automatizzare il processo di stampa".
Una collaborazione di successo con un'apertura
Gli scienziati hanno fatto richiesta di brevetto per il metodo. Lo spin-off Cytosurge dell'ETH ha ottenuto la licenza del metodo dall'ETH di Zurigo. Pascal Behr ha svolto un ruolo chiave nello sviluppo di FluidFM presso l'ETH diversi anni fa. Oggi è CEO di Cytosurge. "Vediamo un grande potenziale di mercato nel processo di stampa e un'opportunità di ulteriore diversificazione per la nostra azienda", afferma. "Siamo convinti dell'idea di utilizzare la FluidFM nella microstampa 3D. Il prossimo passo sarà quello di ottimizzare questa applicazione insieme ai ricercatori interessati nelle scuole universitarie e nell'industria, ad esempio nei settori dell'orologeria, della tecnologia medica e dell'automobile". Behr vede una prima applicazione nel campo della prototipazione rapida, la produzione rapida e semplice di prototipi di microcomponenti utilizzando la stampa 3D.
Anche la collaborazione di lunga data tra l'ETH di Zurigo e l'apertura Cytosurge continuerà. "? un reciproco dare e avere da cui entrambe le parti traggono vantaggio", afferma Zambelli..Cytosurge ha deciso di fornire all'ETH le attrezzature più recenti. Gli scienziati dell'ETH possono utilizzarle per le loro ricerche. Essi contribuiscono a testare i dispositivi e possono suggerire miglioramenti e ulteriori sviluppi.
Riferimento alla letteratura
Hirt L, Ihle S, Pan Z, Dorwling-Carter L, Reiser A, Wheeler JM, Spolenak R, V?r?s J, Zambelli T: Template-Free 3D Microprinting of Metal Using a Force-Controlled Nanopipette for Layer-by-Layer Electrodeposition. Advanced Materials, 19 gennaio 2016, doi: pagina esterna10.1002/adma.201504967