Poiché la stampa 3D è diventata una tecnologia mainstream, ricercatori accademici e industriali hanno studiato strutture stampabili che si piegheranno in utili forme tridimensionali quando riscaldate o immerse nell'acqua.

In un articolo apparso sulla rivista dell'American Chemical Society Materiali applicati e interfacce , ricercatori del Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) del MIT e colleghi riportano qualcosa di nuovo:una struttura stampabile che inizia a piegarsi non appena viene staccata dalla piattaforma di stampa.

Uno dei grandi vantaggi dei dispositivi che si piegano da soli senza alcuno stimolo esterno, dicono i ricercatori, è che possono coinvolgere una gamma più ampia di materiali e strutture più delicate.

"Se vuoi aggiungere elettronica stampata, generalmente utilizzerai alcuni materiali organici, perché la maggior parte dell'elettronica stampata si basa su di loro, "dice Subramanian Sundaram, uno studente laureato del MIT in ingegneria elettrica e informatica e primo autore del documento. "Questi materiali sono spesso molto, molto sensibile all'umidità e alla temperatura. Quindi, se hai questi componenti elettronici e parti, e vuoi iniziare pieghe in loro, non vorrai immergerli nell'acqua o scaldarli, perché poi la tua elettronica si degraderà."

Per illustrare questa idea, i ricercatori hanno costruito un prototipo di dispositivo stampabile pieghevole che include cavi elettrici e un "pixel" polimerico che cambia da trasparente a opaco quando viene applicata una tensione. Il dispositivo, che è una variazione sul "cimice d'oro stampabile" che Sundaram e i suoi colleghi hanno annunciato all'inizio di quest'anno, inizia con un aspetto simile alla lettera "H." Ma ciascuna delle gambe della H si piega in due direzioni diverse, producendo una forma da tavolo.

I ricercatori hanno anche costruito diverse versioni dello stesso design di base della cerniera, che mostrano che possono controllare l'angolo preciso con cui si piega un giunto. Nei test, raddrizzarono con la forza i cardini attaccandoli a un peso, ma quando il peso fu tolto, le cerniere hanno ripreso le pieghe originarie.

A breve termine, la tecnica potrebbe consentire la produzione personalizzata di sensori, mostra, o antenne la cui funzionalità dipende dalla loro forma tridimensionale. Lungo termine, i ricercatori prevedono la possibilità di robot stampabili.

Sundaram è raggiunto sulla carta dal suo consigliere, Wojciech Matusik, professore associato di ingegneria elettrica e informatica (EECS) al MIT; Marco Baldo, anche professore associato di EECS, specializzato in elettronica organica; David Kim, un assistente tecnico nel Computational Fabrication Group di Matusik; e Ryan Hayward, un professore di scienza e ingegneria dei polimeri presso l'Università del Massachusetts ad Amherst.

Alleviare lo stress

La chiave del design dei ricercatori è un nuovo materiale di inchiostro della stampante che si espande dopo che si è solidificato, il che è insolito. La maggior parte dei materiali dell'inchiostro della stampante si contrae leggermente mentre si solidifica, una limitazione tecnica che i progettisti devono spesso aggirare.

I dispositivi stampati sono costruiti a strati, e nei loro prototipi i ricercatori del MIT depositano il loro materiale in espansione in posizioni precise nei pochi strati superiori o inferiori. Lo strato inferiore aderisce leggermente alla piattaforma della stampante, e quell'adesione è sufficiente per mantenere il dispositivo piatto man mano che gli strati si accumulano. Ma non appena il dispositivo finito viene rimosso dalla piattaforma, i giunti realizzati con il nuovo materiale iniziano ad espandersi, piegando il dispositivo nella direzione opposta.

Come molte innovazioni tecnologiche, la scoperta del materiale da parte dei ricercatori CSAIL è stata un incidente. La maggior parte dei materiali per stampanti utilizzati dal Computational Fabrication Group di Matusik sono combinazioni di polimeri, lunghe molecole costituite da ripetizioni a catena di singoli componenti molecolari, o monomeri. La miscelazione di questi componenti è un metodo per creare inchiostri per stampanti con proprietà fisiche specifiche.

Durante il tentativo di sviluppare un inchiostro che producesse componenti stampati più flessibili, i ricercatori CSAIL si sono imbattuti inavvertitamente su uno che si è leggermente espanso dopo che si è indurito. Riconobbero subito la potenziale utilità dei polimeri espandenti e iniziarono a sperimentare modifiche della miscela, finché non arrivarono a una ricetta che consentiva loro di costruire giunti che si sarebbero espansi abbastanza da piegare a metà un dispositivo stampato.

Perché e percome

Il contributo di Hayward al documento è stato quello di aiutare il team del MIT a spiegare l'espansione del materiale. L'inchiostro che produce l'espansione più forte include diverse catene molecolari lunghe e una catena molto più corta, costituito dal monomero isoottil acrilato. Quando uno strato di inchiostro è esposto alla luce ultravioletta, o "indurito, " un processo comunemente usato nella stampa 3D per indurire i materiali depositati come liquidi:le lunghe catene si collegano tra loro, producendo un rigido insieme di molecole aggrovigliate.

Quando un altro strato di materiale si deposita sopra il primo, le piccole catene di acrilato di isoottile nella parte superiore, strato liquido sprofondare nella parte inferiore, strato più rigido. Là, interagiscono con le catene più lunghe per esercitare una forza espansiva, cui resiste temporaneamente l'adesione alla piattaforma di stampa.

I ricercatori sperano che una migliore comprensione teorica del motivo dell'espansione del materiale consentirà loro di progettare materiale su misura per applicazioni specifiche, inclusi materiali che resistono alla contrazione dell'1-3 percento tipica di molti polimeri stampati dopo l'indurimento.

"Questo lavoro è entusiasmante perché fornisce un modo per creare elettronica funzionale su oggetti 3D, "dice Michael Dickey, professore di ingegneria chimica alla North Carolina State University. "Tipicamente, l'elaborazione elettronica avviene in modo planare, 2-D fashion e quindi necessita di una superficie piana. Il lavoro qui fornisce un percorso per creare l'elettronica utilizzando tecniche planari più convenzionali su una superficie 2-D e quindi trasformarle in una forma 3-D, pur mantenendo la funzione dell'elettronica. La trasformazione avviene con un trucco intelligente per aumentare lo stress nei materiali durante la stampa."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.