Stampa 4D – un nuovo concetto

Meccanismo Complesso - 4D printing

Introduzione

Ogni giorno leggiamo articoli riguardanti la stampa 3D e le grandi innovazioni che sta apportando. Le applicazioni che offre questo settore sono innumerevoli e ogni mese vengono superati traguardi che poco prima erano ritenuti impensabili. Recentemente c’è un nuovo sviluppo che sta prendendo piede nel mondo della stampa 3D, la Stampa 4D per la generazione di materiale programmabile.

Ideata e sviluppata dal ricercatore Skylar Tibbits, del dipartimento di architettura del Massachusetts Institute of Technology (MIT), la Stampa 4D è un nuovo concetto di stampa 3D, in cui i materiali prodotti con la normale stampante 3D sono in grado di autoassemblarsi formando nuove strutture.

La Stampa 4D

Nella storia possiamo trovare idee simili, infatti, nel 1788 Joseph-Lousie Lagrange, nell’opera Mécanique analytique spiegava come la meccanica possa essere interpretata come operante in 4 dimensioni, tre spaziali e una temporale. Il concetto della spampa 4D si rifa proprio a questo concetto. Gli oggetti generati dalla stampante 3D non sono ancora totalmente “espressi” una volta terminata la loro produzione, ma che sono in grado di modificarsi in modo autonomo.

In parole povere, la stampa 4D ha lo scopo di indeare oggetti che al momento della stampa non hanno ancora assunto la forma definitiva che dovranno assumere. In particolare l’oggetto stampato prenderà la forma che potrà differire, di volta in volta, in base a particolari condizioni o stimoli esterni, adattandosi ad esse. Nasce qui il concetto di materiale programmabile.

Per realizzare nella realtà il concetto di Stampa 4D, molti dei materiali utilizzati per la stampa cambiano la loro forma a contatto con l’acqua. Una volta stampanti generalmente questi modelli hanno una struttura 2D, semplice nella loro geometria, per poi vederli cambiare forma in maniera molto complessa, assumendo nuove forme geometriche tridimensionali al quanto spettacolari.

Per esempio si stampa questa semplice struttura 2D ad esagoni

Meccanismo Complesso - stampa 4D printing 01

e poi la si immerge in acqua, per ottenere una forma completamente nuova tridimensionale che va via chiudendosi.

Meccanismo Complesso - stampa 4D printing 02

La dinamica di questa stampa 4D è visibile nel filmato seguente.

 

Un recente esempio eclatante, 25 Gen 2016, è quello sviluppato da un team al Wyss Institute in collaborazione con Harvard School of Engineering and Applied Science. Questo team ha sviluppato un metodo di stampa 4D che utilizza un hydrogel a struttura composita che cambia forma una volta immerso nell’acqua (vedi qui articolo). Più precisamente, hanno riprodotto nei loro esperimenti, la composizione dei tessuti e le microstrutture presenti nei fiori e nelle piante. Lo scopo era studiare e riprodurre le dinamiche morfologiche di queste microstrutture naturali che si modificano in base a risposte ambientali.

Le applicazioni

Le potenziali applicazioni della stampa 4D sono numerosissime. Infatti, un esempio, potrebbe essere il caso di tubature in grado di espandersi o restringersi in base al volume d’acqua che le attraversa. Ci sono attualmente degli studi sull’argomento.

Meccanismo Complesso - stampa 4D adaptive-infrastructure

Meccanismo Complesso - stampa 4D nervous-system-kinematic

Un’applicazione già avviata è quella di realizzare indumenti o dei gioielli che siano in grado di adattarsi alle forme del corpo. Un software molto utilizzato a tale scopo è Kinematics della Nervous System (vedi qui). Questo software permette di progettare e stampare gioielli e indumenti che sfruttano la stampa 4D. In questo caso si utilizzano delle piccole tessere (come un mosaico) mobili di diverse forme, ognuno aderente agli adiacenti mediante delle cerniere. Queste tessere avranno tutte forme e densità diverse in modo da creare effetti dinamici ed estetici diversi a seconda della parte del corpo.

Una delle caratteristiche principali di Kinematics come software è quella di poter essere in grado di simulare il “folding” di un indumento o di un gioiello, in modo da poterlo stampare interamente anche se le dimensioni di stampa della stampante 3D a disposizione non lo permettano.

 

Meccanismo Complesso - stampa 4D kinematics fold simulation

Un altro caso potrebbe essere quello della realizzazione di protesi in grado di modellarsi ed adattarsi alle parti del corpo o alle necessità richieste.

Conclusioni

Presumo che la stampa 4D ci regalerà enormi sorprese nei prossimi anni. Il concetto è altamente innovativo e ancora sconosciuto ai molti. Spero che questo articolo possa risvegliare in voi nuove idee e nuove applicazioni.

 

 

Un commento:

  1. albertosallusti

    Effettivamente le prospettive sono affascinanti e il fatto che, al MIT e a Harvard, centri di ricerca stiano studiando sistemi di stampa 4D, fa ben sperare. Per adesso la modifica della morfologia degli oggetti stampati è ottenuta introducendo delle anisotropie a livello macroscopico nella struttura (MIT e Harvard, quest’ultima con una miniaturizzazione dell’estrusore molto spinta) o dei vincoli a cerniera fra elementi rigidi (praticamente un sistema discreto caratterizzato da un numero notevole di gradi di libertà) nel caso di Kinematics. In futuro, coinvolgendo centri di ricerca specializzati in materiali intelligenti nello studio di materiali di stampa veramente programmabili, mi aspetto di vederne delle belle!

Lascia un commento

Questo sito usa Akismet per ridurre lo spam. Scopri come i tuoi dati vengono elaborati.