La fine delle catene di approvvigionamento globali? Il MIT stampa un intero motore elettrico in 3D

Mentre il mondo si affanna a rincorrere i microchip da Taiwan e i magneti in terre rare dalla Cina, sperando che le lunghe e fragili catene di approvvigionamento globali non si inceppino al primo imprevisto geopolitico, dai laboratori del MIT arriva una notizia che potrebbe cambiare radicalmente i connotati della produzione industriale. Un team di ricercatori ha infatti dimostrato che è possibile stampare in 3D un intero motore elettrico, perfettamente funzionante, in un unico processo e nel giro di poche ore.

Non parliamo del solito modellino in plastica da fiera dell’elettronica, ma di un vero e proprio attuatore lineare composto da materiali conduttivi, magnetici, strutturali e flessibili. Il costo dei materiali? Circa 50 centesimi di dollaro. Le implicazioni per l’economia reale, la logistica e l’indipendenza strategica sono, a dir poco, dirompenti.

Il problema della dipendenza e la soluzione locale

Oggi, le macchine elettriche sono prodotte in impianti centralizzati attraverso molteplici fasi di fabbricazione e l’uso di attrezzature altamente specializzate. Se un motore si guasta sulla linea di produzione di una fabbrica manifatturiera, su una piattaforma petrolifera o in un avamposto militare isolato, la sostituzione richiede l’ordinazione di pezzi da fornitori lontani migliaia di chilometri. Questo si traduce in tempi di inattività prolungati e costi aggiuntivi astronomici.

Il team del Microsystems Technology Laboratories del MIT, guidato dal ricercatore Luis Fernando Velásquez-García, ha deciso di aggirare il problema alla radice: produrre l’hardware direttamente in loco, in un solo passaggio. Per farlo, i ricercatori hanno dovuto riprogettare il concetto stesso di stampa 3D.

Solenoide stampato in 3D funzionante

Oltre la plastica: come funziona la stampa “multi-modale”

Le stampanti 3D commerciali utilizzano solitamente un singolo filamento plastico, utile per prototipi visivi, ma del tutto inadeguato per creare dispositivi elettromeccanici funzionali. I filamenti standard, infatti, possono ospitare solo una quantità limitata di materiali “attivi” (come metalli o polveri magnetiche) prima di diventare troppo fragili per essere estrusi.

Per superare questo ostacolo ingegneristico, il team ha modificato una stampante 3D basata sull’estrusione (una E3D ToolChanger), dotandola di quattro strumenti distinti e intercambiabili roboticamente durante la singola stampa:

• Un estrusore a filamento classico: per depositare la struttura portante e isolante.
• Un estrusore a pellet: capace di fondere granuli di materiali ad alta densità funzionale (come i composti magnetici), impossibili da trafilare in filamenti flessibili.
• Una pompa a siringa personalizzata: per iniettare inchiostri altamente conduttivi.
• Un riscaldatore: per asciugare e polimerizzare l’inchiostro in tempo reale durante la stampa.

Questa sinergia ha permesso di gestire materiali con reologie e temperature di lavorazione completamente diverse, unendoli in un unico monolite funzionale.

I cinque elementi del motore stampato

Per realizzare il motore (nello specifico un motore lineare, che produce un movimento rettilineo ed è fondamentale nella robotica e nei nastri trasportatori), i ricercatori hanno utilizzato cinque materiali differenti. La tabella seguente illustra la complessità e l’ingegnosità dei materiali impiegati:

Estrusione dei magneti

Sfide tecniche e ingegneria di precisione

Unire questi materiali non è stata una passeggiata. Il software di controllo ha dovuto gestire tolleranze micrometriche. Come spiega lo studio, anche i più piccoli disallineamenti tra i vari strati possono compromettere irreversibilmente le prestazioni elettromagnetiche.

Una delle sfide più affascinanti è stata la deposizione dell’inchiostro all’argento. Invece di tracciare una semplice linea continua (che rischiava di interrompersi), gli ingegneri hanno ingannato il software della stampante imponendo una larghezza di estrusione artificialmente ridotta. Questo ha costretto l’ago a muoversi a zigzag, spennellando letteralmente l’inchiostro e garantendo tracce continue e perfette, spesse appena 30 micrometri. Subito dopo, il quarto strumento – il riscaldatore – ripercorreva esattamente la stessa traiettoria a 300°C ad una distanza di 1,5 millimetri, asciugando l’inchiostro all’argento a circa 80°C senza fondere la delicata struttura in PLA sottostante.

Alla fine del processo, l’unico intervento esterno richiesto è stato un rapido passaggio sotto un campo magnetico esterno per “attivare” la polarità dei magneti in ferrite di stronzio. I test hanno dimostrato che questo motore stampato in 3D (capace di generare campi fino a 71 mT) offre prestazioni superiori rispetto a motori lineari convenzionali basati su complessi amplificatori idraulici.

Come si presenta l’estrusore multifunzione

Una prospettiva macroeconomica e strategica

Il successo di questo esperimento va ben oltre la pura curiosità accademica. Da una prospettiva di politica industriale, questo è il preludio alla “produzione distribuita”. In un mondo in cui i colli di bottiglia logistici possono paralizzare intere nazioni, la capacità di fabbricare sistemi elettromeccanici complessi in loco rappresenta un vantaggio competitivo e strategico incalcolabile.

Pensiamo alle applicazioni pratiche: una nave cargo in mezzo all’oceano, una base di ricerca in Antartide, o un’unità militare dispiegata in teatri operativi isolati non dovranno più attendere settimane per un pezzo di ricambio. Basterà scaricare un file, caricare le tramogge con i pellet e gli inchiostri adeguati, e stampare il motore difettoso.

Certo, si tratta ancora di un prototipo di laboratorio, ma il segnale è chiaro. Le economie che investiranno in queste tecnologie di sintesi multi-materiale potranno ridurre la loro dipendenza dalle importazioni di componentistica asiatica, riportando la produzione “a casa” (il cosiddetto reshoring), non in enormi fabbriche tradizionali, ma in agili hub produttivi iper-tecnologici. Il prossimo passo del team del MIT? Integrare il processo di magnetizzazione direttamente nella stampante e realizzare motori rotativi completi. La rivoluzione della manifattura è appena iniziata, e ha il rassicurante ronzio di una stampante 3D.

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