Immagina un futuro in cui potresti stampare in 3D un intero robot o un dispositivo medico elettronico elastico con la semplice pressione di un pulsante, senza noiose ore trascorse ad assemblare le parti a mano.

Questa possibilità potrebbe essere più vicina che mai grazie a un recente avanzamento nella tecnologia di stampa 3D guidato dagli ingegneri di CU Boulder. In un nuovo studio, il team delinea una strategia per l'utilizzo delle stampanti attualmente disponibili per creare materiali che fondono componenti solidi e liquidi, un'impresa difficile se non vuoi che il tuo robot collassi.

"Penso che ci sia un futuro in cui potremmo, ad esempio, fabbricare un sistema completo come un robot utilizzando questo processo", ha affermato Robert MacCurdy, autore senior dello studio e assistente professore presso il Dipartimento di ingegneria meccanica Paul M. Rady.

MacCurdy, insieme ai dottorandi Brandon Hayes e Travis Hainsworth, ha pubblicato i risultati il ​​14 aprile sulla rivista Produzione additiva .

Le stampanti 3D sono state a lungo la provincia di hobbisti e ricercatori che lavorano nei laboratori. Sono abbastanza bravi a realizzare dinosauri di plastica o singole parti per macchine, come ingranaggi o giunti. Ma MacCurdy crede che possano fare molto di più:mescolando solidi e liquidi, le stampanti 3D potrebbero sfornare dispositivi più flessibili, dinamici e potenzialmente più utili. Includono dispositivi elettronici indossabili con fili fatti di liquido contenuto all'interno di substrati solidi, o anche modelli che imitano la morbidezza dei veri organi umani.

L'ingegnere confronta il progresso con le stampanti tradizionali che stampano a colori, non solo in bianco e nero.

"Le stampanti a colori combinano un numero limitato di colori primari per creare una ricca gamma di immagini", ha affermato MaCurdy. "Lo stesso vale per i materiali. Se disponi di una stampante in grado di utilizzare più tipi di materiali, puoi combinarli in modi nuovi e creare una gamma molto più ampia di proprietà meccaniche."

Spazio vuoto

Per comprendere queste proprietà, è utile confrontare le stampanti 3D con le normali stampanti del tuo ufficio. Le stampanti su carta creano un'immagine stendendo inchiostri liquidi in migliaia di pixel piatti. Le stampanti 3D a getto d'inchiostro, al contrario, utilizzano una testina di stampa per far cadere minuscole gocce di fluido, chiamate "voxel" (un miscuglio di "volume" e "pixel"), una sopra l'altra.

"Molto subito dopo che quelle goccioline si sono depositate, vengono esposte a una luce ultravioletta brillante", ha detto MacCurdy. "I liquidi curabili si convertono in solidi entro un secondo o meno."

Ma, ha aggiunto, ci sono molti casi in cui potresti volere che quei liquidi rimangano liquidi. Alcuni ingegneri, ad esempio, utilizzano liquidi o cere per creare minuscoli canali all'interno dei loro materiali solidi, che poi svuotano in un secondo momento. È un po' come le gocce d'acqua possono ritagliarsi una caverna sotterranea.

Gli ingegneri hanno escogitato modi per creare questo tipo di spazi vuoti in parti stampate in 3D, ma di solito ci vuole molto tempo e fatica per pulirli. Anche i canali devono rimanere relativamente semplici.

MacCurdy e i suoi colleghi hanno deciso di trovare un modo per aggirare queste limitazioni, comprendendo meglio le condizioni che avrebbero consentito agli ingegneri di stampare materiali solidi e liquidi contemporaneamente.

Coraggio liquido

I ricercatori hanno prima progettato una serie di simulazioni al computer che hanno sondato la fisica della stampa di diversi tipi di materiali uno accanto all'altro. Uno dei grossi problemi, ha detto MacCurdy, è:"Come puoi evitare che le tue goccioline di materiale solido si mescolino nei materiali liquidi, anche quando le goccioline di materiale solido vengono stampate direttamente sopra le goccioline di liquido?"

Il team ha stabilito una serie di regole per aiutarli a fare proprio questo.

"Abbiamo scoperto che la tensione superficiale di un liquido può essere utilizzata per supportare materiale solido, ma è utile scegliere un materiale liquido più denso del materiale solido, la stessa fisica che consente all'olio di galleggiare sull'acqua", ha detto Hayes.

Successivamente, i ricercatori hanno sperimentato in laboratorio una vera stampante 3D. Hanno caricato la stampante con un polimero induribile, o plastica (il solido) e con una soluzione detergente standard (il liquido). Le loro creazioni sono state impressionanti:il gruppo è stato in grado di stampare in 3D anelli tortuosi di liquido e una complessa rete di canali non dissimili dai percorsi ramificati in un polmone umano.

"Entrambe le strutture sarebbero state quasi impossibili da realizzare con approcci precedenti", ha affermato Hainsworth.

MacCurdy si è anche unito di recente a un team di ricercatori della CU Boulder e del CU Anschutz Medical Campus che stanno sviluppando modi per stampare in 3D modelli realistici di tessuto umano. I medici potrebbero utilizzare questi modelli per esercitarsi per le procedure e fare diagnosi. Il progetto utilizzerà l'approccio liquido-solido di MacCurdy tra gli altri strumenti.

"Ci auguriamo che i nostri risultati rendano la stampa 3D a getto d'inchiostro multimateriale utilizzando liquidi e solidi più accessibile a ricercatori e appassionati di tutto il mondo", ha affermato.