Il team CityU sviluppa la prima stampante 4D al mondo per la ceramica
Fino ad ora, è stato difficile applicare le tecniche di stampa 3D laser tradizionali alla ceramica a causa del suo alto punto di fusione. Gli esistenti precursori ceramici stampati in 3D, che di solito sono difficili da deformare, ostacolano anche la produzione di ceramiche con forme complesse.
Un team di ricerca presso la City University di Hong Kong (CityU) ha superato queste sfide e ha sviluppato con successo il primo metodo di stampa 4D al mondo per la ceramica , che sono meccanicamente robusti e possono avere forme complesse.
La stampa 4D è la stampa 3D convenzionale combinata con l’elemento aggiuntivo del tempo come quarta dimensione, in cui gli oggetti stampati possono rimodellarsi o auto-assemblarsi nel tempo con stimoli esterni, come forza meccanica, temperatura o campo magnetico.
Per ottenere gli effetti desiderati, il team CityU ha sviluppato un nuovo “inchiostro ceramico”, una miscela di polimeri elastici (dimetilsilossano) e nanoparticelle ceramiche (NP cristallino ZrO2 con una dimensione media primaria di 20-50 nm di diametro). Quando viene applicato il calore, i precursori ceramici stampati in 3D stampati con questo nuovo inchiostro possono essere allungati tre volte più della loro lunghezza iniziale. Questi precursori ceramici flessibili ed estensibili consentono anche la piegatura dell’origami e la creazione di forme più complesse.
In questa ricerca, il team ha sfruttato l’energia elastica immagazzinata nei precursori tesi per il morphing della forma. Quando i precursori ceramici stirati vengono rilasciati, subiscono un rimodellamento automatico. Dopo il trattamento termico, i precursori si trasformano in ceramica.
Le risultanti ceramiche derivate da elastomeri sono meccanicamente robuste. Possono avere un elevato rapporto resistenza-densità (547 MPa su microlattice 1,6 g cm-3) e possono essere di grandi dimensioni con un’elevata resistenza rispetto ad altre ceramiche stampate in 3D.
L’innovativo processo in due fasi ha richiesto due anni di sviluppo. “L’intero processo sembra semplice, ma non lo è”, ha detto il professor Lu Jian, vicepresidente (Ricerca e tecnologia) e professore di cattedra di ingegneria meccanica che ha guidato la ricerca. “Dall’inchiostro allo sviluppo del sistema di stampa, abbiamo provato molte volte e diversi metodi: come spremere la glassa su una torta, ci sono molti fattori che possono influenzare il risultato, dal tipo di crema alla dimensione dell’ugello , alla velocità e alla forza della spremitura e alla temperatura. ”
Origami e stampa 4D di EDC tramite metodo DIW-morphing-heat treatment.
(A) reticoli elastomerici stampati in 3D per origami. (B) Immagine ottica di DIW degli inchiostri. (C) Origami di strutture ceramiche derivate da elastomeri stampati in 3D. (D ed E) Due metodi di stampa 4D, incluso il metodo 1 (D) e il metodo 2 (E), insieme al trattamento termico, convertono l’elastomero stampato in 3D in ceramiche stampate in 4D. Esempi: (F) Piatto posteriore del cellulare (a sinistra) e curvo (a destra). (G) Vista dall’alto della piastra posteriore del cellulare piatta stampata in 3D. (H) nido d’ape in ceramica curva. L’inserto indica la curvatura del nido d’ape. Scale in scala, 1 cm.
Il team di ricerca ha sviluppato due metodi di stampa 4D della ceramica . Nel primo metodo di formatura, due forme, un precursore e substrato ceramico stampato in 3D, sono state inizialmente stampate con il nuovo inchiostro. Il substrato è stato stirato utilizzando un dispositivo di allungamento biassiale e su di esso sono state stampate le giunzioni per il collegamento del precursore. Il precursore è stato quindi posizionato sul substrato allungato. Con il controllo del tempo programmato dal computer e il rilascio del substrato teso, i materiali si sono trasformati nella forma desiderata.
Nel secondo metodo, il modello progettato è stato stampato direttamente sul precursore ceramico allungato. È stato quindi rilasciato sotto controllo computerizzato per trasformarsi nella forma finale.
Il professor Lu ritiene che i dispositivi elettronici saranno un settore applicativo promettente per questa tecnologia. Le ceramiche hanno prestazioni molto migliori nella trasmissione dei segnali elettromagnetici rispetto ai metalli e si prevede che giochino un ruolo molto più importante nella produzione di prodotti elettronici come le piastre posteriori in ceramica su misura per i telefoni cellulari quando entrano in uso le reti 5G.
Inoltre, questa innovazione può essere applicata nell’industria aeronautica e nell’esplorazione dello spazio. “Poiché la ceramica è un materiale meccanicamente robusto in grado di tollerare alte temperature, la ceramica con stampa 4D ha un potenziale elevato da utilizzare come componente di propulsione nel campo aerospaziale”, ha affermato il prof. Lu.
Il prof. Lu ha detto che il prossimo passo è quello di migliorare le proprietà meccaniche del materiale, in particolare riducendo la sua fragilità.
Il lavoro innovativo è stato pubblicato questa settimana nella rivista Advanced Sciences con il titolo ” Origami e stampa 4D di strutture ceramiche derivate da elastomero “.
