I progetti di stampa 4D più interessanti
Mai sentito parlare di stampa 4D? Partendo dalla stampa 3D convenzionale, la stampa 4D incorpora un’altra dimensione: il tempo. Ciò significa che l’oggetto finale non rimane statico, ma è in grado di cambiare forma, colore o dimensione dopo aver ricevuto uno stimolo esterno. Introdotta nel 2013, le origini della stampa 4D risalgono a Sklyar Tibbs del Self-Assembly Lab del MIT, che ancora oggi è uno dei più attivi nei progetti, anche se il campo ha fatto molta strada. Ma quali sono i progetti disponibili? Nel nostro ultimo ranking abbiamo dato un’occhiata ai progetti di stampa 4D più interessanti che si possono trovare nel settore.
Mizzou Engineering sviluppa un impianto 4D
Nell’ambito di uno studio pubblicato all’inizio di quest’anno, un team di ricercatori di Mizzou Engineering è riuscito a sviluppare un impianto medico utilizzando la stampa 4D. L’impianto può essere completamente personalizzato e promuove anche la rigenerazione dei tessuti molli grazie alla composizione del materiale. Secondo gli scienziati, il fattore decisivo per un’opzione di trattamento personalizzata è stata la stampa 4D dell’impianto. La stampa 4D combina la tecnologia di stampa 3D e materiali intelligenti che possono adattare le loro funzioni in determinati contesti. In questo caso, è stato utilizzato un elastomero bioriassorbibile a memoria di forma. In questo modo è stato possibile affrontare i disturbi del paziente e identificare un trattamento ottimale: “Abbiamo progettato un modello in vitro del paziente e lo abbiamo impiantato per via intravascolare all’interno di un cuore stampato in 3D del paziente per mostrare una prova di concetto di come il materiale sarebbe stato utilizzato per quel problema“, spiega Alireza Mahjoubnia, dottorando in ingegneria meccanica. “Il materiale può cambiare comportamento in base alle condizioni fisiologiche. Abbiamo programmato la sua forma per passare attraverso un catetere e, dopo essere entrato nell’appendice atriale sinistra, può recuperare la sua forma per tornare a quella originale, mostrando un comportamento a memoria di forma“.
Crediti: University of Missouri
La stampa 4D per la rigenerazione ossea
Un altro tra i progetti di stampa 4D nel medicale arriva dalla Cina, dove un gruppo di ricercatori ha studiato la possibilità di creare scaffold biopiezoelettrici 4D intelligenti per la rigenerazione ossea. La piezoelettricità nelle ossa umane è un fattore chiave nella rigenerazione ossea. Pertanto, i materiali biopiezoelettrici hanno guadagnato notevole attenzione nella riparazione delle ossa danneggiate. Tuttavia, le strategie di produzione tradizionali incontrano ancora limitazioni nella creazione di scaffold personalizzati, ostacolandone le applicazioni cliniche. I ricercatori hanno dunque indagato gli usi della stampa 3D e 4D per la fabbricazione di scaffold biopiezoelettrici in strutture dalla forma più complessa. In particolare, gli scaffold 4D possono fornire un tessuto programmabile in funzione del tempo in risposta a stimoli esterni per la rigenerazione ossea. Questi impianti intelligenti che cambiano forma, proprietà, funzionalità nell’ingegneria tissutale ossea e potrebbero quindi essere utilizzati come impianti di nuova generazione.
Materiali piezoelettrici, processi di stampa e potenziali applicazioni per impianti 4D. (Crediti: Annan Chen et al 2023 Int. J. Extrem. Manuf.)
Dispositivi 4D che imitano le piante
La prossima applicazione della stampa 4D arriva da un gruppo di ricercatori del Wyss Institute e della School of Engineering and Applied Sciences, entrambi istituti dell’Università di Harvard. Il team ha trovato un modo per imitare i cambiamenti dinamici di piante e fiori in risposta all’umidità e alla temperatura utilizzando compositi in idrogel stampati in 4D. Per ottenere questo risultato, hanno sviluppato un inchiostro fatto di fibre di cellulosa allineate derivate dal legno e configurate secondo il modello matematico della stampa 4D. Questo inchiostro codifica le proprietà di espansione e rigidità, consentendo di programmare i comportamenti di espansione quando le stampe vengono immerse in acqua. Allo stesso modo, è possibile utilizzare diversi materiali inidrogel e sostituire le fibre di cellulosa con altri riempitivi, come quelli conduttivi. Le applicazioni di questo materiale includono dispositivi medici che adottano forme programmate a contatto con i fluidi corporei, tessuti intelligenti, elettronica morbida, sensori e attuatori elettrici.
Crediti: Wyss Institute
Stampa 4D e robotica
La robotica è un altro settore in cui la stampa 4D potrebbe essere utile. Ad esempio, i ricercatori Liwen Zhang e Ruirui Quiao dell’Università del Queensland hanno sviluppato una tecnologia di stampa 4D che crea metalli liquidi per la robotica che cambiano forma utilizzando la luce del vicino infrarosso. I polimeri metallici, che possono svolgere compiti meccanici utilizzando i laser a infrarossi, sono attualmente in fase di ricerca, ma offrono un potenziale per applicazioni aerospaziali e mediche, ad esempio per la produzione di muscoli artificiali. Le resine di stampa sono prodotte utilizzando nanoparticelle metalliche rotonde che reagiscono alla luce infrarossa. In questo modo possono essere controllate e spostate. I nuovi metodi di produzione in laboratorio consentono di creare prodotti flessibili ma anche resistenti. Il dottor Zhang sottolinea che: “La stampa 4D prende la tradizionale stampa 3D e aggiunge una nuova dimensione, quella del tempo. La versatilità di questa tecnologia è stata dimostrata dai progetti stampati in 4D che possono piegarsi, afferrare, sollevare e ritornare a forme pre-programmate, superando i limiti di peso. In particolare, il metodo elimina la necessità di cablaggi o circuiti tradizionali, offrendo agli ingegneri la possibilità di modellare nel tempo metalli liquidi intelligenti”. La tecnologia sarà utilizzata anche per la robotica morbida e le tecnologie correlate per imitare i movimenti e le interazioni naturali.
La struttura 4D che viene messa in movimento dalla luce del vicino infrarosso (Crediti: Istituto australiano di bioingegneria e nanotecnologia Università del Queensland)
Stampa 4D per i viaggi nello spazio
Zortrax, un produttore di stampanti 3D, ha lavorato per oltre un anno a un progetto di stampa 4D finanziato dall’Agenzia Spaziale Europea per sviluppare meccanismi elettrici utilizzando la stampa 3D per consentire la piegatura, la torsione e lo dispiegamento. Già nel 2013 erano state studiate strutture inseribili in 4D che si muovevano quando venivano riscaldate. Tuttavia, il progetto presentava molte difficoltà, in quanto il processo era difficile da controllare e si attivava a 40°C. Questo problema è stato ora risolto utilizzando nuovi materiali, software e stampanti 3D. I materiali utilizzati sono stati i polimeri a memoria di forma, che hanno una temperatura di transizione vetrosa di 75°C, e il filamento elettricamente conduttivo FIBERFORCE NYLFORCE Conductive, che funge da riscaldatore e innesca l’effetto memoria di forma. Questo processo descrive la capacità di alcuni materiali di tornare alla loro forma originale dopo essere stati deformati. Sono stati scelti anche il software Z-SUITE e la stampante 3D a doppia estrusione M300 Dual, che utilizza un processo di stampa 3D bi-materiale e può stampare con due teste di stampa contemporaneamente. Il design è stato reso elastico per generare una coppia sufficiente a consentire al telaio stampato in 3D di ruotare senza attrito. Questo progresso offre un grande potenziale nei viaggi spaziali, in quanto potrebbe ridurre il peso di antenne o sensori e il processo può essere applicato anche a meccanismi più grandi. Il progetto è attualmente ancora in fase di ricerca.
Crediti: Zortrax
Il robot I-Seed
I ricercatori dell’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) hanno ideato il soft robot I-Seed con la stampa 4D. Questo robot ispirato ai semi delle piante, è in grado di analizzare e monitorare la temperatura e l’umidità del suolo e dell’aria, e di rilevare la presenza di sostanze inquinanti. In particolare, I-Seed è stato costruito imitando il funzionamento di un geranio sudafricano ed è in grado di cambiare forma quando assorbe umidità. I ricercatori hanno stampato il robot con il processo FDM con polimeri biodegradabili a base di policaprolattone. Per progettare I-Seed , hanno imitato le specifiche biomeccaniche della pianta africana in modo che avesse dimensioni e prestazioni il più vicine possibile a un seme vero.
Oggetti autoassemblanti stampati in 4D dal MIT
Come accennato in precedenza, le origini della stampa 4D sono riconducibili a Skylar Tibbs e al MIT Self-Assembly Lab. Non deve quindi sorprendere che il laboratorio continui a essere estremamente importante nello spazio della stampa 3D con molti progetti diversi, tra cui uno più vecchio (del 2013!) ma iconico del settore: cubi autoassemblanti stampati in 4D. Questi sono realizzati in polimeri compositi idroreattivi con elementi idrofili ed elementi rigidi non attivi. In questo modo, se esposta all’acqua, la catena è in grado di trasformarsi in una nuova forma, un cubo, come si vede nel video qui sotto. Da allora, il laboratorio ha continuato a lavorare con progetti recenti, tra cui un abito a maglia 4D.
Strutture bistabili stampate in 4D
La stampa 4D è considerata negli ambienti specializzati come un “upgrade” della stampa 3D, in quanto incorpora la componente del tempo. Per questo motivo, la ricerca innovativa si sta concentrando anche sul test dei materiali per la stampa 4D e sulla sperimentazione di progetti per la stampa 4D. È quanto accaduto anche all’EHT di Zurigo, dove il dottorando Tim Chen è stato coinvolto in un progetto di ricerca sulla progettazione di sistemi stampati, dispiegabili e attivi. Inizialmente si è concentrato sull’esplorazione del design di queste strutture stampate in 4D, con l’obiettivo di controllare i materiali in modo che le parti reagissero all’ambiente. Si è concentrato su connessioni bistabili all’interno delle sue strutture che potessero far cambiare forma alle strutture stesse. Tali cambiamenti di forma potrebbero rivelarsi utili per diverse applicazioni, tra cui l’architettura, la robotica morbida, il settore aerospaziale e l’industria automobilistica.
Strutture 4D in idrogel
Pubblicato sulla rivista Nature Communications, un recente studio descrive lo sviluppo di poliuretani termoindurenti dinamici per la stampa 4D multimateriale, con l’obiettivo di creare strutture di supporto che possano essere impiantate in modo minimamente invasivo. Il team di ricerca ha sviluppato strutture con una memoria di forma attivata dalla temperatura corporea e che si deformano quando entrano in contatto con l’acqua. L’applicazione di questi supporti funziona come segue: viene stampato un modello 2D che può essere temporaneamente ridotto a una forma monodimensionale, facilitando il suo inserimento attraverso un catetere. Una volta impiantato, la temperatura corporea fa sì che il materiale recuperi la sua forma 2D originale. Poi, al momento dell’idratazione, il materiale si espande e si trasforma nella struttura 3D desiderata grazie a un disallineamento del rigonfiamento. Questa combinazione di memoria di forma, deformabilità programmabile e proprietà di espansione e rigidità rende i poliuretani termoindurenti sviluppati promettenti per la creazione di supporti di riempimento per impianti minimamente invasivi.
Crediti: Nature Communications
Resine a memoria di forma per la stampa 4D
Questa volta vi parliamo di un progetto di ricerca che utilizza la resina a memoria di forma. I ricercatori hanno sviluppato un materiale basato su resina fotosensibile e cristalli liquidi. Questi ultimi permettono alla futura parte stampata in 3D di cambiare sotto l’effetto della temperatura. Nello specifico, hanno mescolato il 5% in peso di cristalli in un serbatoio con toluene, a una temperatura di 70°C. La miscela è stata raffreddata per una notte, consentendo così di ottenere il risultato desiderato. La miscela viene raffreddata per una notte, consentendo al toluene di evaporare. Il materiale così ottenuto viene poi utilizzato con una stampante 3D DLP. I risultati sono impressionanti! Se sottoposte a temperature più elevate, le parti stampate in 3D si deformano, per poi tornare alla loro forma originale quando la temperatura scende.
Crediti: Nature
Attuatori in polimeri magnetoattivi
Un team di scienziati del CEA-Iramis in Francia ha sviluppato attuatori in polimeri magnetoattivi mediante la stampa 4D di materiali intelligenti. In primo luogo, hanno condotto esperimenti e simulazioni per analizzare come le nanoparticelle di magnetite si auto-assemblano in strutture simili a fili all’interno di resine fotosensibili. Le proprietà meccaniche dei fotopolimeri possono essere regolate variando la composizione della resina e la risposta magnetica può essere modificata regolando il carico di nanoparticelle nello strato stampato. Gli scienziati hanno quindi adattato una stampante 3D DLP per applicare un campo magnetico con intensità e direzione variabili durante la fabbricazione di ogni strato. In questo modo, sono riusciti a realizzare una serie di oggetti dal comportamento programmato, come attuatori che ruotano o si piegano a comando. Hanno anche combinato ruote magnetiche con elementi non magnetici per creare attuatori lineari o pinze attive.
Crediti: CEA-Iramis
Un processo di stampa 4D per strutture igromorfe
Il comportamento igromorfico è definito da Harvard come “risposta ai cambiamenti dell’umidità ambientale attraverso il cambiamento della geometria”. Di conseguenza, le strutture intelligenti igromorfiche sono molto richieste per le loro ampie applicazioni, tra cui le pelli archiettoniche che rispondono alle intemperie e gli oggetti da indossare adattivi. E ora potrebbe essere possibile utilizzare la stampa 4D per realizzare queste strutture. Più precisamente, in un recente articolo di ricerca, i ricercatori mostrano come la fabbricazione a filamento fuso che incorpora filamenti biobased riempiti di cellulosa con rigidità e igroreattività variabili, combinata con la strutturazione su mesoscala degli elementi stampati, possa aiutare a ottenere un’attuazione sensibile all’umidità. Utilizzando una stampante 3D FFF standard a doppio estrusore, è stato possibile realizzare parti che rispondono all’umidità relativa dell’ambiente, dimostrando di potersi ripiegare su se stesse. Un processo interessante per creare strutture stampate in 4D che rispondono all’umidità.
Un grafico che mostra i materiali utilizzati, la progettazione delle mesostrutture e i risultati delle strutture igromorfe (Crediti: Tahouani et al.)
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