In che modo la stampa 4D può modificare le attuali tecniche di produzione?

Ad aprile 2013, Skylar Tibbits, fondatore del MIT Self-Assembly Lab, in una conferenza TEDx ha introdotto per la prima volta il concetto di stampa 4D. Ha spiegato che stampare in 4D è come aggiungere una nuova funzione a un materiale da utilizzare per la stampa 3D, in particolare la capacità di quel materiale di trasformarsi nel tempo. Infatti, grazie alla stampa 4D, un materiale può cambiare forma da solo, senza alcun intervento umano, ma semplicemente con l’influenza di fattori esterni quali luce, calore, vibrazioni, ecc.

Da allora, la stampa in 4D ha attirato l’interesse di numerose industrie che intravedono un enorme potenziale per la personalizzazione di dispositivi e strutture. Secondo il Gartner Report 2019, l’interesse per la stampa 4D sta crescendo. Entro il 2023, le startup focalizzate su questa tecnologia dovrebbero attrarre 300 milioni di dollari di capitale di rischio. Quindi ci chiediamo inevitabilmente, di fronte a questa osservazione, quale sarà il futuro della stampa 4D: prenderà il posto della produzione additiva per alcune applicazioni? Quale sarà il suo impatto sull’industria?

Questo oggetto stampato in 3D cambia gradualmente forma a causa di fattori esterni. In altre parole, è un oggetto stampato in 4D | Crediti: Self-Assembly Lab

Come funziona la stampa 4D?

La stampa 4D è fortemente ispirata dal principio di auto-assemblaggio, che non è un concetto nuovo. Hai probabilmente sentito parlare di auto-assemblaggio molecolare, in cui le molecole formano strutture complesse senza alcun intervento umano. Un concetto ampiamente diffuso anche nella nanotecnologia, ad esempio. La stampa 4D quindi porta questo principio al livello successivo. Se è possibile per piccole strutture su scala microscopica assemblarsi e progredire da sole, perché non immaginarlo su oggetti stampati in 3D più grandi?

Mentre la stampa 3D produce oggetti che mantengono la loro forma fissa, la stampa 4D cambierà la loro forma, ma anche il loro colore, la dimensione, il modo in cui si muovono, ecc. Impiega materiali noti nel settore come “intelligenti” che sono stati programmati per cambiare forma con l’influenza di un fattore esterno, il più delle volte la temperatura, proprio come quando un computer obbedisce a un codice. Questo “codice” è quindi aggiunto al materiale e fornisce istruzioni al pezzo stampato in 3D. Bastien E. Rapp, Presidente del laboratorio di tecnologia di processo NeptunLab, spiega: “La stampa 4D è la forma funzionale della stampa 3D. Anziché stampare unicamente strutture fisiche, ora possiamo stampare funzioni. È come inserire un pezzo di codice in un materiale: una volta attivato fa quello che hai programmato che faccia”.

Materiali e tecnologie

I materiali per la stampa 4D non sono vari come i materiali per la manifattura additiva perché la tecnologia è ancora agli inizi, ma è importante notare che ce ne sono diversi. Iniziamo con i polimeri a memoria di forma (SMP), che sono materiali in grado di memorizzare una forma macroscopica, preservarla per un certo tempo e tornare alla loro forma originale sotto l’effetto del calore, senza alcuna deformazione residua. Anche altri stimoli indiretti possono causare la trasformazione: un campo magnetico, un campo elettrico o l’immersione in acqua.

Un altro materiale di stampa 4D sono gli elastomeri a cristalli liquidi (LCE) che, come suggerisce il nome, contengono cristalli liquidi sensibili al calore. Controllando il loro orientamento, è possibile programmare la forma desiderata. Sotto l’effetto della temperatura, il materiale si espande e si trasforma secondo il codice previsto. Il terzo materiale sono gli idrogel, catene di polimeri composte principalmente da acqua, particolarmente utilizzati nei processi di fotopolimerizzazione. Sono di grande interesse per il settore medico per via della loro biocompatibilità.

Alcuni processi di stampa 4D impiegano materiali multipli. Si tratta principalmente di compositi aggiunti ad SMP o idrogel, come carbonio o fibre di legno. Il MIT Self-Assembly Lab ha iniziato la sua ricerca sulla stampa 4D partendo da una macchina Stratasys Connex, basata sul principio dell’eiezione di materiale, un processo multi-materiale. Naturalmente ci sono altri materiali di stampa 4D come la ceramica, ad esempio, ma abbiamo deciso di concentrarci su quelli principali.

Crediti: Self-Assembly Lab

Infine, l’intero processo di stampa 4D risiede nel materiale. È quindi necessario comprendere come reagirà a determinati stimoli. Bastien E. Rapp spiega che “un’ottima conoscenza dei materiali è richiesta per facilitare la stampa 4D“. Una volta che questa è ben integrata, possiamo utilizzare diverse tecnologie per la stampa 3D: stereolitografia, Material Jetting (per tutte le multi-materiali), fabbrica di filamenti fusi (lavorando con i polimeri). Il più delle volte, la stampante 3D impiegata è una macchina migliorata in grado di prendere in considerazione la quarta dimensione. Bastien E. Rapp continua: “A seconda della complessità della tua quarta dimensione, può essere facile come stampare due materiali in parallelo. Questo può anche implicare riscaldare o raffreddare il materiale durante il processo di produzione. Ci sono numerosi metodi, e tutti richiedono condizioni specifiche”.

Applicazioni

Poiché è possibile programmare un materiale intelligente come desiderato, le applicazioni della stampa 4D sono piuttosto ampie. Immagina un oggetto che può assumere qualsiasi forma: la tecnologia può quindi influire sul settore edilizio per costruire strutture adattabili alle condizioni climatiche, i beni di consumo potrebbero soddisfare le esigenze della gente o perfino il settore medico, ecc. Una delle prime idee di Skylar Tibbits era quella di utilizzare la stampa 4D per creare tubi intelligenti. Questi tubi sarebbero in grado di mutare forma in base al volume di acqua che contengono, ma anche in seguito a qualsiasi fenomeno che si dovesse verificare sotto terra. Questo potrebbe evitare di dover praticare scavi per sostituirli, un processo estremamente dispendioso in termini di tempo e di costi.

Uno dei settori più interessati dalla stampa 4D è senza dubbio quello medico. La stampa 4D potrebbe permettere la creazione di dispositivi su misura, intelligenti e scalabili. Ad esempio, stampando in 4D un impianto, sarebbe più facile controllarne le condizioni e l’applicabilità una volta integrato dal paziente. Lo stesso vale per tutta la medicina rigenerativa e la produzione di strutture cellulari. Il 4D bioprinting potrebbe permettere alle cellule di adattarsi a un corpo umano in base alla sua temperatura, ad esempio. Chloé Devillard, che sta attualmente preparando la sua tesi presso 3d.FAB, ci ha spiegato: “Lavoriamo con la stampa 4D per applicazioni nell’ingegneria dei tessuti e in medicina rigenerativa volte a riparare organismi viventi. In particolare, io la uso per riprodurre un vaso sanguigno che sia il più possibile vicino alla realtà in termini di fisiologia, funzione e meccanica. Possiamo creare costruzioni che siano il più possibile simili alle cose viventi”.

3d.Fab sta attualmente lavorando a progetti di stampa 4D per creare vasi sanguigni | Crediti: 3d.Fab

Immaginiamo un farmaco stampato in 4D che possa rilasciare le sue sostanze a seconda della temperatura corporea del paziente. Questo è uno dei progetti di ricerca del Dr Fang al MIT, che spiega: “Vogliamo utilizzare la temperatura corporea come un trigger. Riuscendo a progettare i polimeri nella maniera corretta, potremmo essere in grado di creare un dispositivo di somministrazione di farmaci che rilasci il farmaco stesso unicamente in caso di febbre”.

Anche il settore dei trasporti in senso ampio è interessato alla stampa 4D, nel settore automotive e in quello aerospaziale. Nel 2018, BMW e MIT avevano lavorato ad un materiale gonfiabile che cambiava forma e dimensione sotto l’effetto di impulsi d’aria. Un materiale interessante per la progettazione di pneumatici futuri, ad esempio, in grado di auto-ripararsi in caso di foratura o di adattarsi alle condizioni climatiche più difficili. Lo stesso vale per i velivoli. Un componente stampato in 4D potrebbe reagire a cambiamenti di pressione atmosferica o di temperatura e cambiare funzione. Questi componenti potrebbero sostituire cerniere, attuatori idraulici e ridurre considerevolmente il peso di questi dispositivi.

Un oggetto che si apre e si chiude da solo | Crediti: Self-Assembly Lab

Infine, la stampa 4D è più che interessante per tutte le applicazioni che richiedono un elevato livello di personalizzazione, in quanto è possibile programmare il materiale in base alle proprie esigenze. Pensiamo ad esempio ad abiti che possono assumere la forma del nostro corpo, mobili che si piegano e si aprono per risparmiare spazio, ecc.

Il futuro della stampa 4D

Sebbene promettente, questa tecnologia presenta ancora numerosi limiti: qual è la vera durata dei materiali intelligenti nel tempo? Saranno ancora in grado di svolgere il loro compito nel lungo periodo? Numerose aziende stanno ancora testando questo processo di produzione e alcune hanno condiviso i loro risultati. Bastien E. Rapp ci ha detto che la stampa 4D implica una certa quantità di conoscenze estremamente tecniche, cosa che rende più difficile democratizzarla rispetto alla manifattura additiva. “Poiché si tratta di una materia piuttosto complessa, che richiede un ottimo controllo di materiali e produzione, potrebbe non diventare ampiamente disponibile e accessibile come la stampa 3D stessa. Avrà tuttavia un impatto significativo sul settore”.

BMW ha stampato 4D un materiale in silicone in grado di gonfiarsi: è questo il futuro della pneumatica?

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