Cos’è la stampa 4D e come si differenzia dalla stampa 3D?

Image Credit: Made360/.com

Gli scienziati stanno ora guardando alla quarta dimensione per creare una nuova generazione di materiali intelligenti stampati capaci di cambiare la loro forma.

Stampa 3D vs stampa 4D

La stampa tridimensionale, conosciuta anche come produzione additiva, prende un progetto digitale e lo trasforma in un oggetto fisico utilizzando il design assistito dal computer (CAD).

Una struttura 2D ripetuta viene costruita, strato dopo strato, dal basso verso l’alto fino a quando una costruzione 3D è completa. L’oggetto finito è caratterizzato dalla sua rigidità e dall’incapacità di cambiare forma, proprio come qualsiasi tipica parte in metallo o plastica.

Il processo di stampa 4D è essenzialmente lo stesso – utilizza le stesse stampanti 3D, e il computer esegue lo stesso programma per depositare materiale in strati successivi fino a formare una struttura 3D.

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Tuttavia, la stampa 4D aggiunge una nuova dimensione, dove la struttura può cambiare forma nel tempo. Richiede materiali unici e disegni personalizzati da incorporare nel programma per indurre la stampa 3D a cambiare forma quando viene innescata da uno stimolo specifico, come il calore, l’acqua o la luce.

Questo ingrediente programmabile – un idrogel o un polimero a memoria di forma – è in grado di alterare la sua forma fisica o le proprietà termomeccaniche in modo programmabile in base all’input dell’utente o al rilevamento autonomo.

Gli idrogel possono assorbire grandi quantità di acqua e possono essere programmati per ridursi o espandersi con i cambiamenti nell’ambiente esterno. I polimeri a memoria di forma possono tornare alla loro forma originale da una forma deformata quando viene applicato uno stimolo.

Mentre la stampa 3D contiene le istruzioni per stampare strati di materiale in successione, la stampa 4D aggiunge un preciso codice geometrico al processo basato sugli angoli e sulle dimensioni della forma desiderata. Dà alla forma la memoria e le istruzioni su come muoversi o adattarsi in certe condizioni ambientali.

Ricerca sulle forme stampate in 4D

Ci sono molte istituzioni e compagnie che stanno attualmente ricercando forme stampate in 4D e le loro possibili applicazioni.

Il Self-assembly Lab del MIT è sede di un progetto che combina tecnologia e design per inventare tecnologie di auto-assemblaggio e materiali programmabili per reimmaginare la costruzione, la produzione, l’assemblaggio dei prodotti e le prestazioni.

Uno sviluppo vede una struttura stampata piatta piegarsi lentamente in un’altra conformazione quando viene messa in acqua calda. Questo potrebbe permettere a strutture molto più grandi di essere stampate su una scala più piccola per espandersi o dispiegarsi in una fase successiva.

Il laboratorio ha fatto ricerche sul legno programmabile, che potrebbe essere scalato per mobili auto-assemblati. Immaginate una tavola piatta stampata in 4D che si arriccia in una sedia aggiungendo acqua o luce.

Video Credit: Self-Assembly Lab, MIT/Vimeo

Il fondatore del laboratorio, Skylar Tibbits, crede che la tecnologia abbia un grande potenziale in molte aree, inclusa l’industria della moda. Egli prevede scarpe da ginnastica che cambiano la loro vestibilità sui piedi a seconda di ciò che si sta facendo, e abbigliamento che può modificare la sua composizione in risposta al tempo.

Tuttavia, è più probabile che si attraversino strade con la stampa 4D sotto forma di impianti medici o sistemi meccanici che cambiano configurazione in diverse condizioni ambientali.

Ricercatori dell’Università di Wollongong in Australia hanno sviluppato una valvola d’acqua stampata in 4D che si chiude quando esposta all’acqua calda, e si apre di nuovo una volta che la temperatura si è raffreddata. Utilizza un inchiostro idrogel che risponde rapidamente sotto il calore.

La stampa 4D potrebbe essere usata nella biotecnologia o nella medicina. Per esempio, gli stent stampati in 4D potrebbero essere inseriti nei vasi sanguigni ed espandersi quando raggiungono l’area giusta, aggiungendo ulteriore supporto. Potrebbero anche essere utilizzati in capsule di farmaci che cambiano forma per rilasciare la medicina una volta raggiunta la loro destinazione.

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Ricercatori della George Washington University hanno sviluppato un tipo di resina liquida stampabile in 4D e fotocurabile da un composto di acrilato epossidico rinnovabile dell’olio di soia. Questo potrebbe essere usato come impalcatura per la crescita delle cellule staminali del midollo osseo.

Altre applicazioni mediche potrebbero includere proteine auto-riconfiguranti o proteine auto-pieghevoli – un altro progetto del Self-assembly Lab del MIT.

Utilizzi aggiuntivi includono tubi auto-riparatori che alterano il loro diametro in risposta alla domanda e alla portata dell’acqua, e guariscono crepe o rotture in se stessi. Tali materiali sarebbero vantaggiosi in ambienti estremi come lo spazio, in quanto le forme trasformabili dei materiali stampati in 4D permetterebbero di costruire ponti e rifugi, o la possibilità di auto-riparazione quando danneggiati dalle intemperie.

Anche l’architettura potrebbe trarne beneficio, in quanto le facciate adattive o i tetti auto-aperti/chiusi che si attivano in base alle intemperie sono tra le applicazioni future.

Il futuro della stampa 4D

La tecnologia di stampa 4D è ancora nelle prime fasi di ricerca e sviluppo.

Al momento, gli unici luoghi che potrebbero ospitare forme stampate in 4D sono laboratori e strutture di prototipazione, così come alcune mostre architettoniche e installazioni artistiche.

Il futuro sembra promettente e, come per la stampa 3D, la lista delle possibili applicazioni è enorme. L’uso di tali materiali intelligenti potrebbe rivoluzionare il mondo dei materiali come lo conosciamo.

Riferimenti e ulteriori letture