4D Printing: il futuro della fabbricazione additiva

Cambio di configurazione di elemento immerso in acqua
Cambio di configurazione di elemento immerso in acqua

Trattiamo un argomento che ingloba e quasi sorpassa la fabbricazione additiva: lo stampaggio 4D. Per “4D printing” si intende lo stampaggio di materiali intelligenti e programmabili, in grado cioè di cambiare forma, proprietà o di compiere azioni specifiche, in seguito ad uno stimolo esterno come calore, vibrazioni, gravità, magnetismo o elettricità. É un ulteriore passo avanti che allarga le già ampie possibilità offerte dalla fabbricazione additiva: è stato sviluppato con l’obiettivo di semplificare le infrastrutture e i meccanismi comunemente impiegati, tramite la progettazione di elementi programmabili o auto-assemblanti.

Inoltre permette di abbattere uno dei maggiori vincoli del 3DP: il volume di stampa. Infatti, attualmente è possibile ottenere solo oggetti più piccoli della stampante, con il 4DP invece si possono creare dei manufatti in configurazione compatta in grado di espandersi e guadagnare una forma diversa, di maggiori dimensioni, in conseguenza di uno stimolo preimpostato in fase di progettazione. Tutto è partito da un laboratorio presso il celebre Massachusetts Institute of Technology, il “Self-as- sembly Lab”, coordinato dall’architetto/designer/computer scientist Skylar Tibbits, che ha presentato in anteprima questa innovazione in occasione della conferenza TED (Technology Entertainment Design).

Dimostrazione del cambio di dimensioni di un tubo grazie alla geometria che lo compone
Dimostrazione del cambio di dimensioni di un tubo grazie alla geometria che lo compone

Il principio di base è scalabile, quindi il numero di possibili applicazioni enorme, dalla scala nano e micro metrica per impianti biomedicali che si comprimono al momento dell’inserimento nel corpo e una volta al suo interno recuperano la loro forma, magari per riparare un’arteria, fino alla progettazioni di ponti e infrastrutture.

Fino a questo momento il team di Tibbits ha stretto una collaborazione con Stratasys che ha permesso sviluppare un materiale stampabile in grado di attivarsi a contatto con l’acqua e conseguentemen- te di cambiare forma: è stato quindi creato un elemento che immerso reagisce e prende la configurazione di un cubo. Lo studio del comportamento della struttura è reso possibile da “Project Cyborg”, software sviluppato da Autodesk in grado di simulare il comportamento di auto-assemblaggio e progettare così le configurazioni che si vogliono ottenere.

Il professor H. Jerry Qi dell’università del Colorado con un modellino stampato con fibre a memoria di forma in grado di passare da superficie piatta fino a creare un cubo in seguito all’applicazione di calore
Il professor H. Jerry Qi dell’università del Colorado con un modellino stampato con fibre a memoria di forma in grado di passare da superficie piatta fino a creare un cubo in seguito all’applicazione di calore

Lo sviluppo più prossimo di questo principio sarà la possibilità di sfruttare queste ca ratteristiche per diminuire le dimensione degli oggetti durante l’ immagazzinamento e la spedizione in modo da essere più pratici ed economici. Una volta arrivato a destinazione il prodotto può essere attivato e riprende la sua forma originale o una nuova, acquisita in funzione del contesto in cui si trova l’oggetto per ottimizzare il suo rendimento. Un esempio potrebbe essere un pannello solare, ripiegato durante la spedizione, allorché installato si apre e autonomamente si posiziona per ottimizzare la ricezione dei raggi solari.

Un altro esempio proposto riguarda i sistemi idraulici: attualmente la maggior parte delle tubazioni ha una capacità e un flusso fissi, vengono sotterrate e, in caso di cambiamenti ambientali, delle con- dizioni del terreno o l’avvento di nuove esigenze, è necessario disotterrarle e sostituirle completamente. Adottando invece strutture adattabili programmabili si possono ottenere tubazioni in grado di compri- mersi per modificare la capacità e la portata, o addirittura muoversi a ritmo peristaltico per far scorrere l’acqua senza la necessità di pompe.

Struttura in grado di ridurre considerevolmente  il suo ingombro con un semplice tocco
Struttura in grado di ridurre considerevolmente
il suo ingombro con un semplice tocco

Lo stesso concetto è alla base della ricerca di un team dell’università del Colorado in collaborazione con l’università di tecnologia e design di Singapore, che ha inserito fibre di polimeri a memoria di forma nel materiale tradizionale utilizzato per la stampa 3D, programmandole per piegarsi, stendersi o arrotolarsi in seguito ad un impulso predeterminato, in base alla progettazione del posizionamento e orientamento delle fibre stesse. L’aspetto più affascinante e innovativo è che le forme che l’oggetto può assumere non sono casuali ma vengono definite durante la fase di progettazione, prima della produzione.

Come spesso accade con una nuova tecnologia è il settore militare a offrire risorse per la ricerca, in questo caso l’esercito americano ha stanziato 855,000 dollari per lo sviluppo di materiali tessili in grado di cambiare la loro struttura al fine di produrre uniformi intelligenti, in grado di mimetizzarsi in modo adattativo e automatico. Lo studio prevede il cambio di colore in base a stimoli luminosi, alterazione della permeabilità del tessuto in seguito a cambiamenti della temperatura e indurimento della struttura se sollecitata energicamente, e il risultato è un materiale allo stesso tempo flessibile, leggero e resistente. Solo un processo di produzione di stampaggio 3D può permettere la creazione di un prodotto con queste caratteristiche in quanto permette di progettare a scala nano e micrometrica e inoltre avere caratteristiche differenti da un’area all’altra nel medesimo componente da realizzare.

Con il 4DP si possono creare dei manufatti in configurazione compatta in grado di espandersi e guadagnare una forma diversa, di maggiori dimensioni, in conseguenza di uno stimolo preimpostato in fase di progettazione
Con il 4DP si possono creare dei manufatti in configurazione compatta in grado di espandersi e guadagnare una forma diversa, di maggiori dimensioni, in conseguenza di uno stimolo preimpostato in fase di progettazione

Lo stampaggio 4D presenta delle potenzialità colossali e le possibili evoluzioni possono essere strabilianti, forse presto un mobile Ikea si monterà da solo, i nostri vestiti cambieranno in funzione del nostro umore o dell’attività che stiamo svolgendo, le automobili aumenteranno di volume se dovremo trasportare più persone, ogni cosa sarà si personalizzerà automaticamente in base alle nostre esigenze.

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