Scienziati sono riusciti a stampare in 3D parti complesse in grafite con una purezza del 97%.

Un team di ricercatori della Rice University, in Texas, ha sviluppato un nuovo metodo per fabbricare strutture complesse di grafite utilizzando la stampa 3D con scrittura diretta a inchiostro (DIW).

I precedenti tentativi di stampa 3D con la grafite hanno solitamente comportato l’integrazione di una forma in polvere del materiale in una matrice polimerica. Utilizzando tecnologie basate sull'estrusione, è quindi possibile creare strutture meccanicamente solide, ma i compositi risultanti spesso contengono solo meno del 50% di grafite in peso. Pertanto, le parti in grafite stampate in 3D fino ad ora non hanno realmente offerto le proprietà termiche ed elettriche che rendono la grafite pura così desiderabile.

Per affrontare il problema, i ricercatori della Rice hanno sviluppato un inchiostro colloidale stampabile in 3D composto da polvere di grafite e minuscole quantità di argilla, ottenendo parti DIW complesse con una purezza fino al 97%.

Grafite: il minerale degli estremi

La grafite è considerata uno degli allotropi del carbonio più utili e ha tutta una serie di applicazioni industriali (sì, è più della semplice mina per matite).

Dotato di una struttura atomica bidimensionale a strati, il materiale è un ingrediente chiave in numerosi lubrificanti ad alte prestazioni. La grafite offre inoltre un'eccellente stabilità termica e chimica, che le consente di resistere alle condizioni ambientali estreme richieste per i crogioli di metalli fusi e i nuclei dei reattori nucleari. Inoltre, la notoriamente elevata conduttività elettrica del materiale lo rende anche un candidato perfetto per batterie, contatti elettrici e persino dispositivi elettronici flessibili.

Sfortunatamente, a causa delle sfide legate alla lavorazione ad alta temperatura e alla fragilità intrinseca del materiale, l’utilizzo di metodi di sintesi convenzionali per creare parti geometriche complesse in grafite è spesso estremamente difficile – un problema che la stampa 3D è in grado di risolvere.

Come stampare in 3D parti in grafite al 97%.

L'inchiostro di grafite ad alta concentrazione è stato formulato aggiungendo piccole quantità di nanoargilla di silicato (3-10% in peso) a un bagnomaria riempito con scaglie di grafite. La nanoargilla ha infine agito come agente legante, garantendo che le scaglie di grafite fossero distribuite uniformemente nell’inchiostro composito risultante. L'aggiunta dell'argilla ha inoltre aumentato significativamente la viscosità del materiale, rendendolo estrudibile tramite DIW a temperatura ambiente. Al contrario, è stato scoperto che un inchiostro composto da sola grafite ostruisce l’ugello della stampante 3D, il tutto mentre si separa sotto pressione.

Una volta stampati in 3D, gli effetti dell’additivo nanoclay erano molto evidenti nelle strutture 3D finali. Tutti gli oggetti di prova stampati nello studio hanno mostrato un'eccellente stabilità strutturale e hanno potuto sostenere il proprio peso senza alcun problema, nonostante fossero geometricamente complessi. Anche dopo l'asciugatura all'aria, le parti sono riuscite a mantenere le loro forme originali con una migliore capacità di assorbire energia rispetto a un inchiostro a base di sola grafite.

Il team della Rice ha già utilizzato la sua nuova formulazione con purezza del 97% per diverse applicazioni della grafite. Ciò include stampi stampati in 3D utilizzati per colare lo stagno, un circuito elettrico in grafite utilizzato per accendere i LED e un elemento riscaldante stampato in 3D in grado di portare l’acqua al punto di ebollizione.

Ulteriori dettagli sullo studio possono essere trovati nel documento intitolato "Stampa tridimensionale di strutture di grafite complesse". È coautore di Seyed Mohammad Sajadi, Shayan Enayat et al.

La grafite e la sua forma a strato singolo, il grafene, sono oggetto di molte ricerche sia all’interno che all’esterno del settore della stampa 3D. I ricercatori dell’Università di Buffalo hanno recentemente sviluppato un nuovo aerogel di grafene per la purificazione dell’acqua stampato in 3D in grado di trattare le acque reflue su larga scala. Composto da un aerogel simile al polistirolo, grafene reticolato e due polimeri di ispirazione biologica, il nuovo materiale è in grado di rimuovere coloranti, metalli e solventi organici dall'acqua potabile con un'efficienza del 100%.

Altrove, presso il FAMU-FSU College of Engineering, gli scienziati hanno sviluppato un set di parametri per la stampa 3D di strutture basate sul grafene con qualità conduttive ottimizzate. Dopo una serie di test, il team ha scoperto che mentre fattori come la pressione di stampa e il diametro dell'ugello influenzavano le proprietà del composito, a velocità di stampa specifiche, le sue particelle potevano essere allineate in un modo specifico.