E se le tubature potessero autoripararsi automaticamente se si crepassero o rompessero, o i vestiti cambiare in base al tempo o all'attività che l'utente sta svolgendo? Mobili che si montano da soli, protesi che si adattano alla crescita... Queste sono solo alcune delle possibili applicazioni che la tecnologia di stampa 4D prevede di realizzare.

Immagine 1: Artiglio stampato in 4D che modifica la sua forma. Fonte: Sculpteo.

La stampa 3D esiste da quasi 30 anni e nonostante sia ancora in fase di ricerca, scoprendo nuovi materiali e applicazioni, nuove tecnologie come la 4D sono emerse.

Presso il MIT Self-assembly Lab, hanno sviluppato un progetto di cui la stampa 4D fa parte. Il loro obiettivo è combinare tecnologia e design per inventare tecnologie di materiali programmabili e autoassemblanti al fine di reinventare l'edilizia, la produzione, l'assemblaggio di prodotti e le prestazioni. Allo stesso tempo, uno studio del Wyss Institute (dell'Università di Harvard) è riuscito a stampare un oggetto che, a contatto con l'acqua, modifica la sua forma risultando in una sorta di fioritura delle sue estremità. Per farlo hanno sviluppato un materiale basato su strutture naturali, come le piante, a cui hanno iniettato fibre di cellulosa durante il processo di stampa.

Video 1: Architettura a cambiamento di forma. Fonte: Università di Harvard.

Cosa è davvero la stampa 4D?

Ispirata dal principio dell'autoassemblaggio, la stampa 4D è il processo attraverso il quale un oggetto stampato in 3D si trasforma in una struttura diversa per l'influenza di una fonte di energia esterna come la temperatura, la luce o altri stimoli ambientali. In altre parole, l'ottenimento di un oggetto tramite la tecnologia 3D che, grazie alle proprietà del materiale con cui è realizzato, è capace di cambiare quando viene esposto a uno stimolo ambientale.

Questa è esattamente la differenza tra la tecnologia 3D e la 4D: la capacità degli oggetti di trasformarsi nel tempo senza intervento umano.

Materiali utilizzati

La chiave della stampa 4D non risiede tanto nel processo, che si basa sulle familiari stampanti 3D, ma nei materiali. Essendo una tecnologia piuttosto nuova, i materiali disponibili non sono altrettanto diversificati come quelli utilizzati per la stampa 3D standard. Tuttavia, ce ne sono alcuni molto interessanti.

SMP (polimeri a memoria di forma)

Polimeri che rimangono rigidi a temperatura ambiente e offrono proprietà speciali quando raggiungono il punto di transizione vetrosa. Un esempio è il TPU SMP di Convena: un filamento 4D con una composizione basata su TPU (poliuretano termoplastico) che consente una post-elaborazione per modificare la forma delle parti stampate in 3D. Grazie alla sua composizione speciale e alla tecnologia Shape Memory Polymer, le parti stampate con questo filamento possono essere modificate manualmente, consentendo di acquisire un'altra forma e mantenerla nel tempo.

Il processo di modifica della forma di una parte stampata in 3D con filamento TPU SMP consiste nell'immergere la parte stampata in 3D in un contenitore con acqua calda fino a raggiungere la sua temperatura di transizione vetrosa. In quel momento, la parte si ammorbidisce e l'utente può modificarne facilmente la forma. Una volta raffreddata, la parte mantiene la forma acquisita e rimane stabile. Inoltre, le parti stampate in 3D con il filamento TPU SMP possono ripristinare la forma originale invertendo il processo eseguito. In altre parole, tornando a raggiungere la temperatura di transizione vetrosa del materiale.

LCE (elastomeri a cristalli liquidi)

Contengono cristalli liquidi che sono sensibili al calore. Controllandone l'orientamento, è possibile programmare la forma desiderata: sotto l'effetto della temperatura, il materiale si rilasserà e si trasformerà secondo il codice impostato.

Idrogel

Catene di polimeri formate principalmente da acqua, particolarmente utilizzate nei processi di fotopolimerizzazione. Questi ultimi sono orientati verso il settore medico a causa della loro biocompatibilità.

Inoltre, alcuni processi di stampa 4D possono utilizzare vari materiali; principalmente composti come il legno o il carbonio, che vengono aggiunti agli SMP o agli idrogel. In questo modo si ottengono oggetti con aree rigide e altre mobili.

Applicazioni

Tenendo conto dei molteplici vantaggi offerti da materiali così intelligenti, le applicazioni della stampa 4D sono innumerevoli.

Edilizia

La costruzione di strutture adattate alle condizioni climatiche come ponti, rifugi o altri tipi di installazioni rappresenterebbe un enorme passo avanti in questo campo. Mattoni 4D in grado di modificare pareti e soffitti adattandoli all'ambiente permetterebbero di migliorare le condizioni interne.

Video 2: Legno programmabile. Fonte: Self-Assembly Lab, MIT.

Medicina

In questo caso, la stampa 4D offre la possibilità di creare dispositivi personalizzati, intelligenti ed evolutivi. Ad esempio, stampando un impianto 4D, sarebbe più facile controllarne lo stato e la fattibilità una volta integrato nel paziente.

Questo concetto si applica a tutta la medicina rigenerativa e alla produzione di strutture cellulari. La stampa 4D consentirebbe alle cellule di adattarsi al corpo umano a seconda della temperatura, ad esempio. Parlando di farmaci, sarebbe possibile stampare un dispositivo che rilasci la dose necessaria in base alla temperatura corporea del paziente.

Trasporti

Alcuni mesi fa, BMW e il MIT hanno presentato il loro materiale gonfiabile, che cambia forma e dimensione grazie all'effetto di impulsi d'aria. Le applicazioni sono molto interessanti poiché in futuro potremmo avere pneumatici che si autoriparano in caso di foratura o che si adattano al terreno e alle condizioni climatiche circostanti.

Nel caso dell'industria aeronautica, un componente stampato in 4D potrebbe reagire alla pressione atmosferica o ai cambiamenti di temperatura e, quindi, modificare la sua funzione. Attualmente, Airbus sta lavorando su queste sviluppi, poiché questi componenti potrebbero sostituire le cerniere e gli attuatori idraulici, alleggerendo significativamente i dispositivi. Inoltre, sta anche lavorando sulla sperimentazione di materiali che reagiscono al calore per raffreddare i motori dei loro aerei.

Raúl Pulido Casillas, un ingegnere spagnolo, ha creato per la NASA un tessuto intelligente con stampa 4D. La rete metallica, composta da pezzi uniti d'argento, ha programmata nella sua stampa la regolazione termica. In altre parole, non solo la sua forma è stata stampata, ma anche la funzione dei materiali. Essendo in grado di riflettere il calore all'esterno e trattenerlo all'interno, potrebbe essere un elemento ideale per produrre tute da astronauta o rivestire veicoli spaziali.

Moda

Nell'industria tessile, la stampa 4D ha anche il suo spazio. La possibilità di stampare scarpe che si adattino al movimento, all'impatto, alla temperatura e alla pressione atmosferica è una possibilità. L'esercito degli Stati Uniti ha già fatto incursioni in questo campo e sta testando uniformi che cambiano colore in base all'ambiente o che regolano la traspirazione in base al polso del soldato o alla temperatura ambiente.

Nonostante siamo ancora agli inizi, è sicuro che la tecnologia 4D rivoluzionerà la produzione e la natura degli oggetti nei prossimi anni, come ha fatto in passato la stampa 3D.