La quarta dimensione della tecnologia di produzione
Gli scienziati parlano di stampa 4D. Con questo termine si intende la semplice produzione di oggetti che possono cambiare nel tempo. I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno ora compiuto un passo decisivo verso questo approccio: un principio di costruzione da loro sviluppato consente di realizzare strutture sostenibili e prevedibili.
Le stampanti 3D sono diventate lo standard in molti laboratori di ricerca. Nel frattempo, un numero ancora ristretto di ricercatori in tutto il mondo sta facendo il passo successivo: sta aggiungendo un'altra dimensione alla tecnologia, quella del tempo. Uno di questi scienziati è Kristina Shea, capo del Laboratorio per lo sviluppo del prodotto e i metodi computazionali dell'ETH di Zurigo. Nella cosiddetta stampa 4D, vengono prodotti oggetti mobili e modificabili, come kit di costruzione piatti che possono essere dispiegati in oggetti tridimensionali in un secondo momento, o addirittura oggetti che possono cambiare forma a seconda delle influenze esterne.
L'ETH Shea e il suo gruppo hanno fatto un passo avanti decisivo in questo approccio. Hanno creato un principio di progettazione che consente di controllare con precisione i cambiamenti di forma. "Le nostre strutture piatte non cambiano in alcun modo la loro configurazione, ma esattamente come volevamo", dice Tian Chen, dottorando del gruppo di Shea. Le strutture possono anche essere caricate di peso. Nessuno prima degli scienziati dell'ETH era stato in grado di produrre oggetti stampati in 4D così portanti.
Elemento con due stati
Il fulcro del principio di progettazione è un elemento di sollevamento sviluppato che può assumere uno dei due stati possibili: retratto o esteso. I ricercatori hanno combinato tali elementi per creare strutture più complesse. Poiché i singoli elementi assumono solo i due stati definiti, i ricercatori possono prevedere le forme tridimensionali stabili della struttura complessiva. Sono possibili anche strutture che possono assumere diverse forme stabili. E poiché i ricercatori hanno anche sviluppato un software di simulazione, possono prevedere con precisione le forme e le forze da applicare per cambiare forma. Questo li aiuta nella progettazione degli oggetti.
Gli scienziati hanno stampato le loro strutture utilizzando una stampante 3D professionale multi-materiale, che può essere utilizzata per stampare oggetti composti da un massimo di quaranta materiali diversi. Gli oggetti degli scienziati dell'ETH sono composti da due materiali: un polimero rigido, che costituisce la parte principale delle strutture, e un polimero elastico per le aree che devono essere mobili. I ricercatori stampano il tutto in un'unica fase.
Efficiente e veloce
"La stampa 4D presenta diversi vantaggi", afferma l'ETH Professor Shea. "Stampare uno stampo iniziale piatto con sezioni rigide e mobili in un solo passaggio è estremamente efficiente. Al contrario, sarebbe molto più complesso e lungo produrre tali oggetti in tre dimensioni o assemblarli da diversi componenti sciolti". Inoltre, le strutture piatte possono essere trasportate in modo poco ingombrante e dispiegate solo a destinazione. Approcci simili sono stati perseguiti da tempo nei viaggi spaziali, ad esempio per trasportare strumenti nello spazio in uno stato compresso per risparmiare spazio.
I viaggi nello spazio sono quindi una delle possibili aree di applicazione della stampa 4D. Tuttavia, gli scienziati stanno prendendo in considerazione anche la semplice costruzione di strutture per la tecnologia edilizia, come sistemi di ventilazione o sistemi per l'apertura e la chiusura di sportelli, o applicazioni mediche come gli stent (supporti impiantabili per i vasi corporei).
Al momento gli scienziati stanno ancora dispiegando le strutture a mano. Tuttavia, i ricercatori stanno sviluppando degli azionamenti per i loro elementi che estendono le strutture a seconda della temperatura. Secondo gli scienziati, sarebbe anche possibile utilizzare un sistema di controllo pneumatico (con aria compressa) o utilizzare materiali rigonfianti che cambiano forma a seconda dell'umidità.
Letteratura di riferimento
Chen T, Mueller J, Shea K: Progettazione integrata e simulazione di strutture sintonizzabili a più stati fabbricate monoliticamente con la stampa 3D multi-materiale. Scientific Reports 2017, 7: 45671, doi: pagina esterna10.1038/srep45671