Revisione – Progressi recenti nella stampa 4D di materiali in gel

Tendenze e sviluppi al rialzo nella stampa 4D con materiali in gel e altre tecniche

Ricercatori dal Giappone e dagli Stati Uniti ci stanno compilando alcune delle ultime tendenze nella fabbricazione e nei materiali digitali, evidenziate nella recente pubblicazione ” Revisione – Progressi recenti nella stampa 4D di materiali in gel “.

Salendo dai miracoli della stampa 3D, la stampa 4D offre un nuovo livello di fascino quando i materiali si adattano ai loro ambienti, facendo le offerte degli esseri umani secondo necessità in una varietà di applicazioni come la robotica leggera, i dispositivi bionici e altro ancora. Man mano che gli autori offrono una rassegna delle ultime tendenze e argomenti della stampa 4D, impariamo anche di più sui nuovi materiali e sulle sfide che gli utenti stanno lavorando per superare.

“La stampa 4D si basa sulla tecnologia di stampa 3D con una dimensione aggiunta, in cui la struttura stampata si evolve in funzione del tempo”, spiegano gli autori. “I materiali che rispondono agli stimoli vengono utilizzati per la stampa 4D come leghe a memoria di forma e polimeri ecc. Una volta stampati in 3D, questi materiali possono trasformarsi in geometrie complesse se esposti a stimoli esterni come calore, temperatura, pH ecc.”

Mentre gli utenti di tutto il mondo, che si tratti di produzione, laboratori di ricerca o laboratorio domestico, sperimentano la fabbricazione digitale in 4D, vengono utilizzati una varietà di materiali come polimeri a memoria di forma , fibra di carbonio e una vasta gamma di compositi . Anche l’uso dei gel sta diventando sempre più popolare perché consentono una versatilità ancora maggiore nella creazione di geometrie complesse, così come alcune che potrebbero non essere state possibili prima.

E mentre la stampa 4D può presentare un “cambiamento radicale” rispetto alla stampa 3D tradizionale, ci sono ancora sfide nel realizzare la trasformazione delle forme, così come la funzionalità desiderata. Ci sono molti vantaggi estesi, tuttavia, a partire dalle funzionalità di rilevamento e programmabilità, oltre a una migliore efficienza nella produzione e nell’assemblaggio, una maggiore convenienza, riduzione del lavoro manuale e altro ancora.

“Ogni materiale stampabile 4D è una sorta di recettore di stimoli o in altre parole sensore attraverso il quale possono percepire l’ambiente circostante e la risposta in base alle loro capacità caratteristiche”, hanno affermato gli autori.

Sia il rigonfiamento che il controllo della temperatura sono modi popolari per manipolare i materiali di stampa 4D senza la necessità di intervento umano, il che significa che potrebbero essere utili in aree di catastrofe o pericolo per le persone.

“Il lavoro pioneristico sulla stampa in 4D presentato da Tibbits e colleghi ha combinato il multi-materiale e le rispettive proprietà di rigonfiamento per dimostrare i fenomeni di stampa in 4D”, spiegano gli autori nella loro recensione.

“Il materiale espandibile era un polimero idrofilo reticolato che formava un idrogel quando veniva esposto all’acqua e nel processo il gel stampato subiva un’espansione di grandi volumi fino al 200%”.

Ulteriori ricerche sono state completate con una rete reticolata termicamente reattiva di Poly (Nisopropylacrylamide) (PNIPAAm), creata da Bakarich et al. Idrogel 3D sono stati inoltre stampati per offrire la deformazione della forma di Naficy et al. Approfondendo ulteriormente gli idrogel biomimetici, Gladman et al. ha creato un composito destinato ad essere stampato in 4D in strutture a doppio strato, deformandosi quando “immerso in acqua a causa di anisotropia localizzata del rigonfiamento”.

(a) Deformazione di una griglia in un’onda sinusoidale. Da sinistra a destra e dall’alto verso il basso, osserviamo la griglia mentre si piega nella forma desiderata. Sono stati usati solo primitivi angolari. (b) Deformazione di una griglia in una superficie iperbolica. In alto, visualizziamo il modello fabbricato e, in basso, la versione simulata. La deformazione finale fornisce un’approssimazione ragionevole nonostante l’uso di solo barre di piegatura nella simulazione. (c) Fabbricazione di una curva variabile nel tempo. Da sinistra a destra e dall’alto verso il basso, la curva si deforma nel tempo in una forma diversa. Riprodotto con permesso.37 Copyright 2014 Springer Nature.

Huang et al. ha creato un sistema con un proiettore controllato da computer e una cella di reazione con un monomero fotopolimerizzabile. Con una gamma di densità di reticolazione, hanno dimostrato che la risposta all’immersione in acqua variava, determinando un cambiamento di forma nei materiali. “

“Contrariamente al tipico processo di stampa 3D strato per strato, il vantaggio del loro sistema consiste nell’introduzione di sollecitazioni in una struttura 2D stampata attraverso un modo semplice e facile”, hanno affermato gli autori.

Morfologie floreali complesse generate dalla stampa biomimetica 4D. a, b, Fiori semplici composti da 90◦ / 0◦ (a) e −45 ° / 45 ° (b) doppi strati orientati rispetto all’asse lungo di ciascun petalo durante il processo di rigonfiamento (pannello inferiore) (c), stampato struttura (d) e la risultante struttura gonfia (e) di un fiore che dimostra una gamma di morfologie ispirate a un’orchidea nativa, l’elica del Dendrobium (per gentile concessione di Ricardo Valentin) (f) Basata sul percorso di stampa, questa architettura di orchidea presenta quattro diverse configurazioni : curvatura, torsione e increspatura della corolla che circonda il dominio centrale a forma di imbuto (barre di scala, 5 mm). Riprodotto con permesso. 60 Copyright 2016, Springer Nature.

Alcuni ricercatori hanno esplorato l’uso di strutture ispirate agli origami, utilizzando bi-layer e tri-layer all’interno di una stampa, mentre altri si sono concentrati su bioimpianti termicamente sensibili e robot continuum, inchiostri versatili e anche hardware, come un’innovativa stampante 4D che utilizza la curabilità UV materiali in gel.

(a) Strutture con fibbia multi-scala stampate. (b) Maschera facciale di cartone animato 3D vista da due diverse angolazioni. (c) Modellazione dell’analisi degli elementi finiti (FEA) di un teatro 3D. Da sinistra a destra: layout di stampa planare, teatro 3D visto da due diverse angolazioni e scala della mappa della deformazione corrispondente. (d) Immagini fotografiche dell’attuale teatro 3D stampato visualizzate da due diverse angolazioni. (e) Oggetto 4D stampato, ovvero oggetto 3D con funzionalità di modifica della forma attiva.

Attuazione del modello di piega origami Miura-ori, contenente 10 vertici, da disidratato (a sinistra) a idratato (a destra); piccoli angoli di attuazione (a) e (b) e
grandi angoli di attuazione (c) e (d). Scala 1: 0,59. Attuazione del modello di piega origami di waterbomb, contenente 75 vertici, da disidratato (a sinistra) a idratato (a destra);
piccoli angoli di attuazione (e) e (f) e grandi angoli di attuazione (g) e (h). Scala 1: 0,47,70

“Per far avanzare l’innovazione nella stampa 4D, è di conseguenza cruciale incorporare progetti di computer razionali di sofisticate procedure multi-stimolo che rispondano agli stimoli al fine di potenziare ulteriormente la sua diffusa implementazione nella costruzione di oggetti complessi e auto-morfici nell’ingegneria meccanica, robotica leggera e bio- campo ingegneristico “, hanno dichiarato gli autori.

“Riteniamo che l’innovazione nei materiali, nella fabbricazione, nella progettazione e nella modellazione creerà ulteriori progressi in questo campo. La stampa 4D in campo biomedico ha il potenziale per consentire fisicamente l’espansione della biologia e avvicinare la stampa di organi alla realtà. Quindi, per applicare con successo la stampa 4D in applicazioni pratiche, dovrebbero essere fatti continui progressi per superare le sfide attuali e solo allora questa tecnologia metterà in evidenza le sue migliori caratteristiche per il mondo futuro. “

Prodotto di stampa 4D stampato con inchiostro 4D: una balena come l’idrogel è stata utilizzata come modello per schematizzare il processo di transizione 4D (a), i cicli di ammorbidimento e indurimento di un polpo come il gel (b), la variazione del modulo di conservazione (E ′) di Gel 4D durante i cicli di riscaldamento e raffreddamento misurati per reologia (c).
Riprodotto con permesso.

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