Dagli sbarchi sulla luna ai telefoni cellulari, molte delle visioni inverosimili della fantascienza si sono trasformate in realtà. Nell'ultimo esempio di questa tendenza, gli scienziati riferiscono di aver sviluppato una potente stampante che potrebbe semplificare la creazione di strutture autoassemblanti che possono cambiare forma dopo essere state esposte al calore e ad altri stimoli. Dicono che questa tecnologia unica potrebbe accelerare l'uso della stampa 4-D nel settore aerospaziale, medicina e altre industrie.

I ricercatori presentano oggi il loro lavoro al 255esimo incontro nazionale ed esposizione dell'American Chemical Society (ACS).

"Siamo sul punto di creare una nuova generazione di dispositivi che potrebbero espandere notevolmente le applicazioni pratiche per la stampa 3D e 4D, "H. Jerry Qi, dottorato di ricerca, dice. "La nostra stampante prototipo integra molte funzionalità che sembrano semplificare e accelerare i processi utilizzati nella stampa 3D tradizionale. Di conseguenza, possiamo utilizzare una varietà di materiali per creare componenti duri e morbidi allo stesso tempo, incorporare il cablaggio conduttivo direttamente nelle strutture che cambiano forma, e, infine, ha posto le basi per lo sviluppo di una serie di prodotti 4-D che potrebbero rimodellare il nostro mondo".

La stampa 4-D è una tecnologia emergente che consente ai componenti stampati in 3D di cambiare forma nel tempo dopo l'esposizione al calore, leggero, umidità e altri fattori ambientali. Però, La stampa 4-D rimane impegnativa, in parte perché spesso richiede passaggi di post-elaborazione complessi e dispendiosi in termini di tempo per programmare meccanicamente ogni componente. Inoltre, molte stampanti commerciali possono stampare solo strutture 4-D composte da un unico materiale.

L'anno scorso, Qi e i suoi colleghi del Georgia Institute of Technology, in collaborazione con scienziati della Singapore University of Technology and Design, ha utilizzato un composito composto da acrilico e resina epossidica insieme a una stampante commerciale e una fonte di calore per creare oggetti 4-D, come un fiore che può chiudere i suoi petali o una stella che si trasforma in una cupola. Questi oggetti hanno trasformato la forma fino al 90% più velocemente di quanto fosse possibile in precedenza perché gli scienziati hanno incorporato le noiose fasi di programmazione meccanica direttamente nel processo di stampa 3D. Basandosi su questo lavoro, i ricercatori hanno cercato di sviluppare una stampante all-in-one per affrontare altre sfide di stampa 4D e avvicinare la tecnologia all'applicazione pratica.

La macchina che hanno infine ideato combina quattro diverse tecniche di stampa, compreso l'aerosol, getto d'inchiostro, scrittura diretta dell'inchiostro e modellazione della deposizione fusa. Può gestire una moltitudine di materiali rigidi ed elastici inclusi idrogel, inchiostri conduttivi a base di nanoparticelle d'argento, elastomeri a cristalli liquidi e polimeri a memoria di forma, o SMP. SMP, quali sono le sostanze più comuni utilizzate nella stampa 4-D, può essere programmato per "ricordare" una forma e poi trasformarsi in essa quando riscaldato. Con questa nuova tecnologia, i ricercatori possono stampare SMP di qualità superiore in grado di apportare modifiche di forma più complesse rispetto al passato, aprendo le porte a una moltitudine di applicazioni e design 4D funzionali.

I ricercatori possono anche utilizzare la stampante per proiettare una gamma di colori bianchi, sfumature di luce grigie o nere per formare e polimerizzare un componente in un solido. Questa illuminazione in scala di grigi innesca una reazione di reticolazione che può alterare il comportamento del componente, a seconda della scala di grigi dell'ombra che brillava su di esso. Così, Per esempio, una tonalità chiara più brillante crea una parte più dura, mentre una tonalità più scura produce una parte più morbida. Di conseguenza, questi componenti possono piegarsi o allungarsi in modo diverso rispetto ad altre parti della struttura 4-D che li circonda.

La stampante può persino creare cavi elettrici che possono essere stampati direttamente su un'antenna, sensore o altro dispositivo elettrico. Il processo si basa su un metodo di scrittura a inchiostro diretto per produrre una linea di inchiostro a nanoparticelle d'argento. Un'unità di polimerizzazione fotonica asciuga e fonde le nanoparticelle per formare un filo conduttivo. Quindi, il componente a getto d'inchiostro della stampante crea il rivestimento in plastica che racchiude il filo.

Attualmente, Il team di Qi sta anche lavorando con Children's Healthcare di Atlanta per determinare se questa nuova tecnologia possa stampare mani protesiche per bambini nati con braccia malformate.

"Solo un piccolo gruppo di bambini ha questa condizione, quindi non c'è molto interesse commerciale in esso e la maggior parte delle assicurazioni non copre le spese, " dice Qi. "Ma questi bambini hanno molte sfide nella loro vita quotidiana, e speriamo che la nostra nuova stampante 4-D li aiuti a superare alcune di queste difficoltà".