ETH di Zurigo strutture polimeriche a cuscinetto portante stampate 4D

Ci sono numerose questioni relative al trasporto di cose nello spazio, una delle quali è che alcune sono troppo grandi e ingombranti. Una soluzione è quella di rendere gli articoli piccoli e in grado di essere piegati in pacchetti compatti che possono essere espansi una volta raggiunta la destinazione. La stampa 4D viene spesso utilizzata per creare questi oggetti deployabili; un polimero a memoria di forma verrà stampato in 3D e “programmato” per aprirsi o espandersi se esposto a uno stimolo come luce o cambiamento di temperatura. Ci sono anche sfide con questa tecnologia: le stesse fonti di energia possono essere ingombranti, l’implementazione può essere imprecisa, i componenti possono incepparsi e gli oggetti possono mancare di integrità strutturale.

La professoressa Kristina Shea e la dottoranda Tian Chen dell’Istituto federale svizzero di tecnologia di Zurigo ( ETH Zurich ), che ha recentemente utilizzato la stampa 3D per sviluppare un robot morbido subacqueo , hanno pubblicato uno studio in cui hanno stampato un attuatore programmabile che si dispiega in modo autonomo e cambia forma utilizzando il cambiamento di temperatura come catalizzatore. Lo studio, intitolato “Un attuatore programmabile autonomo e strutture riconfigurabili a forma di membrana con polimeri a memoria di forma e bistabili”, è accessibile qui .

“Utilizzando un polimero a memoria di forma come fonte di energia controllabile dalla temperatura e un meccanismo bistabile come l’attuatore lineare e l’amplificatore di forza, le strutture raggiungono un’attivazione geometrica precisa e una capacità di carico quantificabile”, spiegano i ricercatori. “L’attuatore di unità proposto integra questi due componenti ed è progettato per essere assemblato in strutture più espandibili e modificabili di forma.”
Gli oggetti stampati in 3D sono stati programmati per cambiare forma gradualmente adattando ciascun polimero della memoria di forma a un diverso tempo di attivazione. Gli oggetti iniziarono come superfici piatte che, quando attivate, si trasformarono in una piramide o in una forma iperbolica a forma di paraboloide, dimostrando una struttura a più stadi. Entrambi hanno mostrato capacità di carico durante l’attivazione e il funzionamento.

Shea e Chen hanno utilizzato la tecnologia di stampa 3D inkjet multimateriale per fabbricare disegni complessi depositando selettivamente resine liquide fotoreattive di diversa rigidità e temperature di transizione vetrosa.

“Combinando questo polimero con un meccanismo bistabile, chiamato truss di von Mises, siamo in grado di definire due distinti stati di equilibrio che possono essere raggiunti con precisione”, spiegano i ricercatori. “I meccanismi bistabili di tipo Von Mises sono stati utilizzati in precedenza in alberi attivi, per assorbimento di energia e, più recentemente, per creare strutture riconfigurabili stampate in 3D.”
Gli oggetti sono stati stampati in 3D usando una Stratasysstampante 3D multimateriale Objet3 Connex500. I materiali utilizzati erano FLX9895, un polimero a memoria di forma; RGD525, una plastica rigida resistente alla temperatura; e Agilus30, un materiale simile a un elastomero. Le strutture sono state quindi attivate utilizzando acqua riscaldata per simulare un ambiente a gravità ridotta.

“Il dispiegamento della procedura attuatore dell’unità consiste di due fasi; la prima fase è la programmazione e l’assemblaggio degli SMS con il meccanismo bistabile “, proseguono i ricercatori. “Il secondo è il recupero vincolato dell’SMS e di conseguenza l’attivazione dell’attuatore dell’unità. Nella fase di programmazione, l’SMS viene riscaldato e viene allungato o compresso da una distanza pari alla lunghezza della corsa del meccanismo bistabile (Fig. 2b, c). Mentre è confinato, l’SMS viene raffreddato e installato nel meccanismo bistabile (figura 2d). La seconda fase viene attivata aumentando la temperatura dell’attuatore dell’unità (figura 2e). Quando l’SMS si riprende, attiva il meccanismo bistabile e raggiunge lo stato distribuito. Una volta raffreddato, questo stato attivato si comporta come una struttura rigida quando l’SMS ritorna al suo stato vetroso. ”
Il risultato è un oggetto che si trasforma facilmente da uno stato piatto in una forma complessa e, soprattutto, mostra capacità di carico durante e dopo la distribuzione, a differenza di molti altri oggetti stampati in 4D. La ricerca ha il potenziale per essere utilizzata per una serie di applicazioni, in particolare nel campo dell’esplorazione spaziale.

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