Quando si lavora con tecniche di stampa 4D, la competenza chiave risiede nella gestione dettagliata del materiale di stampa. Rispetto ad un prodotto realizzato con una stampante 3d, un oggetto 4D è in grado di cambiare forma nel tempo, a seguito dell’esposizione ad uno stimolo esterno, come per esempio variazioni di temperatura o sollecitazioni meccaniche.

Materiali con memoria di forma

Le nuove sfide della stampa 4D si stanno sempre di più focalizzando sullo studio e lo sviluppo dei materiali programmabili: i cosiddetti “materiali con memoria di forma”.

Il materiale viene “programmato” in una forma ben definita che rimane “memorizzata” nella sua struttura. In pratica, anche se viene deformato, una volta sottoposto a determinati stimoli, il materiale riacquista l’esatta forma in cui era stato progettato.

La ricerca di Harvard: materia che cambia forma

Il 2 ottobre è stata pubblicata sulla rivista scientifica statunitense Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) – organo ufficiale della United States National Academy of Sciences – una ricerca condotta dall’Università di Harvard, relativa a nuovi metodi per stampare in 4D forme sempre più articolate.

L’articolo “Shape-shifting structured lattices via multimaterial 4D printing” è frutto della collaborazione dei ricercatori della John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) con Wyss Institute of Biologically Inspired Engineering.

Per realizzare geometrie complesse è necessario che il materiale subisca una variazione sia in piano – espandendosi o contraendosi – sia nella curvatura estrinseca fuori dal piano. Il team di ricerca ha raggiunto questo duplice obiettivo, creando con la stampa 4D una struttura multimateriale a doppio strato, caratterizzata da una intelaiatura reticolare a più direzioni.

strato multimateriale stampa 4d ricerca harvard

Il reticolo consente la contrazione e l’espansione nella dimensione piana, mentre i materiali eterogenei sviluppano variazioni nella curvatura estrinseca. Sono stati scelti quattro diversi inchiostri elastomerici, ciascuno dei quali caratterizzato da un proprio modulo elastico e coefficiente di dilatazione termica.

I ricercatori hanno potuto così programmare l’evoluzione di ogni singola nervatura del reticolo, con un controllo estremamente dettagliato sulla sua evoluzione.

Stampa 4D: antenna emisferica e volto umano

Il gruppo di ricerca ha realizzato due stampe 4D come modelli esemplificativi dello studio:

• Un’antenna emisferica che passando da una forma piatta ad una arrotondata, cambia frequenza di risonanza.

• Un reticolo piatto che a contatto con l’acqua salata assume la forma di un volto umano, quello del matematico del XIX secolo Carl Friedrich Gauss.

Nel primo caso l’oggetto subisce nella trasformazione anche una modifica della sua funzione. Nel secondo caso, quello inerente alla realizzazione del volto umano, a sorprendere è il livello di dettaglio ottenuto con questa nuova tecnica.

“Utilizzando un approccio integrato di progettazione e fabbricazione, possiamo codificare complessi ‘set di istruzioni’ all’interno di questi materiali che guidano il loro comportamento nella trasformazione della forma,” spiega la professoressa Jennifer A. Lewis, leader del pluripremiato Lewis Lab ad Harvard.

stampa 4d

Il professor L. Mahadevan, professore di fisica e biologia organismica ed evolutiva di Harvard e coautore dello studio, conclude: “La forma abilita e limita la funzione. Usando la matematica e il calcolo per progettare la forma e una combinazione di geometria multiscala e stampa multimateriale per realizzarla, siamo ora in grado di costruire strutture che cambiano forma con il potenziale per una gamma di funzioni. ”

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