Un team di ricerca presso la City University di Hong Kong (CityU) ha ottenuto un progresso rivoluzionario nella ricerca sui materiali sviluppando con successo la prima stampa 4-D al mondo per la ceramica, che sono meccanicamente robusti e possono avere forme complesse. Questo potrebbe aprire una nuova pagina nell'applicazione strutturale della ceramica.

La ceramica ha un alto punto di fusione, quindi è difficile utilizzare la stampa laser convenzionale per realizzare ceramiche. I precursori ceramici stampati in 3D esistenti, che di solito sono difficili da deformare, ostacolano anche la produzione di ceramiche dalle forme complesse. Per superare queste sfide, il team di CityU ha sviluppato un nuovo "inchiostro ceramico, " che è una miscela di polimeri e nanoparticelle ceramiche. I precursori ceramici stampati in 3D stampati con questo nuovo inchiostro sono morbidi e possono essere allungati tre volte oltre la loro lunghezza iniziale. Questi precursori ceramici flessibili ed elastici consentono forme complesse, come la piegatura degli origami. Con un adeguato trattamento termico, si possono realizzare ceramiche dalle forme complesse.

Il team era guidato dal professor Lu Jian, professore ordinario di ingegneria meccanica, che è un illustre scienziato dei materiali con interessi di ricerca che vanno dalla fabbricazione di nanomateriali e materiali strutturali avanzati alla simulazione computazionale dell'ingegneria delle superfici. Con lo sviluppo dei precursori elastici, il team di ricerca ha raggiunto un'ulteriore svolta sviluppando due metodi di stampa 4-D della ceramica.

La stampa 4D è la stampa 3D convenzionale combinata con l'elemento aggiuntivo del tempo come quarta dimensione, dove gli oggetti stampati possono rimodellarsi o autoassemblarsi nel tempo con stimoli esterni, come la forza meccanica, temperatura, o un campo magnetico. In questa ricerca, il team ha utilizzato l'energia elastica immagazzinata nei precursori allungati per il morphing della forma. Quando vengono rilasciati i precursori della ceramica stirata, subiscono un auto-rimodellamento. Dopo il trattamento termico, i precursori si trasformano in ceramica.

Le risultanti ceramiche derivate da elastomeri sono meccanicamente robuste. Possono avere un elevato rapporto resistenza alla compressione-densità (547 MPa su un microlattice da 1,6 g cm-3), e possono venire in grandi formati con un'elevata resistenza rispetto ad altre ceramiche stampate.

"L'intero processo sembra semplice, ma non lo è, " ha detto il professor Lu. "Dalla produzione dell'inchiostro allo sviluppo del sistema di stampa, abbiamo provato molte volte e metodi diversi. Come spremere la glassa su una torta, ci sono molti fattori che possono influenzare il risultato, che vanno dal tipo di crema e dalla dimensione del beccuccio, alla velocità e alla forza della spremitura, e la temperatura".

Il team ha impiegato più di due anni e mezzo per superare i limiti dei materiali esistenti e sviluppare l'intero sistema di stampa in ceramica 4-D.

Nel primo metodo di formatura, un precursore e un substrato ceramico stampato in 3D sono stati stampati per la prima volta con il nuovo inchiostro. Il substrato è stato stirato utilizzando un dispositivo di stiramento biassiale, e su di esso erano stampati i giunti per il collegamento del precursore. Il precursore è stato quindi posto sul substrato stirato. Con il controllo del tempo programmato dal computer e il rilascio del substrato allungato, i materiali si sono trasformati nella forma progettata.

Nel secondo metodo, il motivo disegnato è stato stampato direttamente sul precursore in ceramica stirata. È stato quindi rilasciato sotto il controllo della programmazione del computer e ha subito il processo di auto-trasformazione.

L'innovazione è stata pubblicata nell'ultimo numero della migliore rivista accademica Progressi scientifici con il titolo "Origami e stampa 4-D di strutture ceramiche derivate da elastomeri". Tutti i membri del team di ricerca provengono da CityU, compreso il dottor Liu Guo, Assistente ricercatore, Dottor Zhao Yan, collaboratore di ricerca senior, e il dottor Wu Ge, ricercatore.

"Con la versatile capacità di mutare forma dei precursori della ceramica stampata, la sua applicazione può essere enorme, " ha affermato il professor Lu. Un'applicazione promettente è l'elettronica. I materiali ceramici hanno prestazioni molto migliori nella trasmissione di segnali elettromagnetici rispetto ai materiali metallici. Con l'arrivo delle reti 5G, i prodotti in ceramica svolgeranno un ruolo più importante nella fabbricazione di prodotti elettronici. La natura artistica della ceramica e la sua capacità di formare forme complesse forniscono anche il potenziale per i consumatori di creare piastre posteriori personalizzate in ceramica per telefoni cellulari.

Per di più, questa innovazione può essere applicata nell'aeronautica e nell'esplorazione dello spazio. "Poiché la ceramica è un materiale meccanicamente robusto che può tollerare alte temperature, la ceramica stampata in 4-D ha un alto potenziale per essere utilizzata come componente di propulsione in campo aerospaziale, " ha detto il prof.

Cavalcando la svolta nel progresso dei materiali e della tecnica di stampa 4-D, Il prof Lu ha detto che il prossimo passo è migliorare le proprietà meccaniche del materiale, come ridurre la sua fragilità.