4D printing: la rivoluzione della forma

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Stratasys e MIT hanno sviluppato un materiale stampabile in grado di attivarsi a contatto con l’acqua e quindi di cambiare forma
Stratasys e MIT hanno sviluppato un materiale stampabile in grado di attivarsi a contatto con l’acqua e quindi di cambiare forma

La stampa 3D sta appena cominciando a farsi strada e già si lavora al 4D. E qui, la nuova dimensione è il tempo

L’innovazione nel mondo dello stampaggio 3D corre rapida. Nuove applicazioni vengono sperimentate, nuovi materiali testati e adattati alla tecnologia, nuovi hardware vengono sviluppati e commercializzati. Ma, nonostante questa continua innovazione, sembra che stia facendo capolino una nuova tecnologia che ingloba – e quasi supera – la fabbricazione additiva: lo stampaggio 4D, in cui la quarta dimensione è il tempo. Per “4D printing” si intende lo stampaggio di materiali intelligenti e programmabili, in grado cioè di cambiare forma, proprietà o di compiere azioni specifiche – come per esempio di autoassemblarsi nel tempo –, in seguito a 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, che è stato sviluppato con l’obiettivo di semplificare le infrastrutture e i meccanismi comunemente impiegati tramite la progettazione di elementi programmabili o auto-assemblanti. La tecnologia permette inoltre di abbattere uno dei maggiori vincoli del 3DP: il volume di stampa. Oggi, infatti, è possibile ottenere solo oggetti più piccoli della stampante, mentre il 4DP permette invece di 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.

Cos’è il 4D printing
Tutto è partito dal Self-assembly Lab, un laboratorio presso il celebre Massachusetts Institute of Technology (MIT), coordinato dall’architetto/designer/computer scientist Skylar Tibbits che, in aprile 2013, ha presentato in anteprima questa innovazione in occasione della conferenza TED (Technology Entertainment Design).

Il principio di base è scalabile, quindi il numero di possibili applicazioni è enorme, dalla scala nano e micrometrica 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.
Il team di Tibbits ha già stretto una collaborazione con Stratasys, attraverso cui è stato sviluppato un materiale stampabile in grado di attivarsi a contatto con l’acqua, e conseguentemente di cambiare forma, con il quale è stato creato un elemento che, una volta immerso, reagisce e assume la configurazione di un cubo.

Lo studio del comportamento della struttura è reso possibile da “Project Cyborg”, un software sviluppato da Autodesk in grado di simulare il comportamento di auto-assemblaggio e di progettare così le configurazioni desiderate. Lo sviluppo più prossimo di tale principio sarà la possibilità di sfruttare queste caratteristiche 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, oppure ne assume 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, che una volta installato si apre e autonomamente si posiziona per ottimizzare la ricezione dei raggi solari.

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

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 condizioni del terreno o l’avvento di nuove esigenze, è necessario dissotterrarle e sostituirle completamente. Adottando invece strutture adattabili programmabili si possono ottenere tubazioni in grado di comprimersi per modificare la capacità e la portata, o addirittura muoversi a ritmo peristaltico per far scorrere l’acqua senza la necessità di pompe.

Grandi potenzialità
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, capaci 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 permette la realizzazione di un manufatto con simili peculiarità – dal momento che consente di progettare in scala nano e micrometrica – e che, al contempo, possiede caratteristiche differenti da un’area all’altra.

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

Lo stampaggio 4D offre delle opportunità veramente interessanti, soprattutto che le sue 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, oppure le automobili aumenteranno di volume se dovremo trasportare più persone. Insomma, forse ogni cosa potrà personalizzarsi automaticamente in base alle nostre esigenze.

Anche a memoria di forma

jerriQiLo 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 a 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.

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