In che modo la stampa 4D sconvolgerà le nostre attuali tecniche di produzione?

Nell’aprile 2013, Skylar Tibbits, fondatore del MIT Self-Assembly Lab, ha tenuto una conferenza TEDx in cui ha introdotto un nuovo concetto nel processo di stampa 3D. Per la prima volta, ha introdotto una quarta dimensione a questa tecnologia che stava già sconvolgendo molti settori. Ha spiegato che la stampa 4D era come aggiungere una nuova caratteristica a un materiale che sarebbe stato utilizzato per la stampa 3D, più precisamente era la capacità del materiale di trasformarsi nel tempo. Infatti, grazie alla stampa 4D, un materiale può cambiare forma da solo, senza alcun intervento umano ma semplicemente sopra l’influenza di fattori esterni come la luce, il calore, le vibrazioni, ecc.

Da allora la stampa 4D ha attirato l’interesse di molte industrie che vedono un grande potenziale per personalizzare dispositivi e strutture. Secondo il rapporto Gartner 2019, l’interesse per la stampa 4D sta crescendo. Entro il 2023, le startup che si concentrano su questa tecnologia dovrebbero attirare 300 milioni di dollari in capitale di rischio. Quindi, inevitabilmente, di fronte a questa osservazione, ci chiediamo quale sarà il futuro della stampa 4D. Sostituirà la produzione additiva per alcune applicazioni? Quale sarà il suo impatto sull’industria?

Questo oggetto stampato in 3D cambia gradualmente forma a causa di fattori esterni. In altre parole è un oggetto stampato in 4D | Credits: Self-Assembly Lab

Come funziona la stampa 4D?

La stampa 4D è fortemente ispirata al principio di auto-assemblaggio, che non è un concetto nuovo. Probabilmente avete sentito parlare dell’auto-assemblaggio molecolare in cui le molecole formano strutture complesse senza alcun intervento umano. Un concetto ampiamente utilizzato anche nella nanotecnologia, per esempio. La stampa 4D porta quindi questo principio al livello successivo. Se è possibile che piccole strutture su scala microscopica si assemblino e si muovano da sole, perché non immaginarlo su oggetti più grandi stampati in 3D?

Mentre la stampa 3D produce oggetti che mantengono la loro forma fissa, la stampa 4D cambierà la loro forma ma anche il loro colore, la loro dimensione, il loro modo di muoversi, ecc. Utilizza materiali conosciuti nell’industria come materiali “intelligenti”, che sono stati programmati per cambiare forma sotto l’influenza di un fattore esterno, più spesso la temperatura, proprio come quando un computer obbedisce a un codice. Questo “codice” viene quindi aggiunto al materiale e fornisce istruzioni alla parte stampata in 3D. Bastien E. Rapp, presidente del laboratorio di tecnologia di processo NeptunLab, spiega: “La stampa 4D è la forma funzionale della stampa 3D. Invece di stampare solo strutture fisiche, ora possiamo stampare funzioni. È come incorporare un pezzo di codice in un materiale – una volta innescato, fa quello che hai programmato.”

Materiali e tecnologie per la stampa 4D

I materiali per la stampa 4D non sono così vari come quelli per la produzione additiva perché la tecnologia è ancora agli inizi ma è importante notare che ne esistono diversi. Cominciamo con i polimeri a memoria di forma (SMP), che sono materiali in grado di immagazzinare una forma macroscopica, conservarla per un certo tempo e tornare alla sua forma originale sotto l’effetto del calore, senza alcuna deformazione residua. Anche altri stimoli indiretti possono causare la trasformazione: un campo magnetico, un campo elettrico o l’immersione in acqua.

Un altro materiale per la stampa 4D sono gli elastomeri a cristalli liquidi (LCE) che, come suggerisce il nome, contengono cristalli liquidi sensibili al calore. Controllando il loro orientamento, è possibile programmare la forma desiderata. Sotto l’effetto della temperatura, il materiale si espande e si trasforma secondo il codice dettato. Il terzo materiale sono gli idrogeli, si tratta di catene polimeriche composte principalmente da acqua, particolarmente utilizzate nei processi di fotopolimerizzazione. Sono di grande interesse per il settore medico a causa della loro biocompatibilità.

Alcuni processi di stampa 4D utilizzano multi-materiali. Si tratta soprattutto di compositi che vengono aggiunti alle SMP o agli idrogeli, come le fibre di carbonio o di legno. Il MIT Self-Assembly Lab ha iniziato la sua ricerca nella stampa 4D da una macchina Stratasys Connex, basata sul principio del jetting di materiale, un processo multi-materiale. Naturalmente, ci sono altri materiali per la stampa 4D, come la ceramica per esempio, ma abbiamo deciso di concentrarci su quelli principali.

Credits: Self-Assembly Lab

Infine, l’intero processo di stampa 4D risiede nel materiale. È quindi necessario capire come reagirà a determinati stimoli. Bastien E. Rapp spiega che “una conoscenza molto buona dei materiali è necessaria per facilitare la stampa 4D”. Una volta che questo è ben integrato, possiamo utilizzare diverse tecnologie di stampa 3D: stereolitografia, getto di materiale (per tutti i multi-materiali), fused filament fabrication (lavorando con i polimeri). Il più delle volte, la stampante 3D utilizzata è una macchina migliorata in grado di tenere conto della quarta dimensione. Bastien E. Rapp continua: “A seconda della complessità della 4a dimensione, può essere semplice come stampare due materiali in parallelo. Questo può anche comportare il riscaldamento o il raffreddamento del materiale durante il processo di fabbricazione. Ci sono molti metodi, tutti richiedono condizioni specifiche.”

Applicazioni della stampa 4D

Siccome è possibile programmare un materiale intelligente a piacere, può sembrare che le applicazioni della stampa 4D siano piuttosto estese. Immaginate un oggetto che può assumere qualsiasi forma: la tecnologia può quindi avere un impatto sul settore dell’edilizia per costruire strutture adattabili alle condizioni climatiche, i beni di consumo potrebbero adattarsi alle esigenze delle persone, o anche nel settore medico, ecc. Una delle prime idee di Skylar Tibbits è stata quella di utilizzare la stampa 4D per realizzare tubi intelligenti. Questi tubi sarebbero in grado di cambiare forma a seconda del volume d’acqua che contengono ma anche quando si verifica un qualsiasi fenomeno nel sottosuolo. Questo eviterebbe di scavarli e cambiarli, un processo lungo e molto costoso.

Uno dei settori più interessati alla stampa 4D è senza dubbio quello medico. La stampa 4D potrebbe permettere la creazione di dispositivi su misura, intelligenti e scalabili. Per esempio, stampando in 4D un impianto, sarebbe più facile controllarne le condizioni e la vitalità una volta integrato dal paziente. Lo stesso vale per tutta la medicina rigenerativa e la fabbricazione di strutture cellulari. La stampa 4D potrebbe permettere alle cellule di adattarsi a un corpo umano in base alla sua temperatura, per esempio. Chloé Devillard, che sta preparando la sua tesi alla 3d.FAB, ci ha spiegato: “Lavoriamo con la stampa 4D per applicazioni nell’ingegneria dei tessuti e nella medicina rigenerativa per riparare gli organismi viventi. In particolare, la uso per riprodurre un vaso sanguigno che sia il più vicino possibile alla realtà in termini di fisiologia, funzione e meccanica. Possiamo creare costruzioni il più possibile simili agli esseri viventi.”

3d.Fab sta attualmente lavorando a progetti di stampa 4D per creare vasi sanguigni | Credits: 3d.Fab

Infine, immaginate un farmaco stampato in 4D che potrebbe rilasciare la sua sostanza a seconda della temperatura del corpo del paziente. È uno dei progetti di ricerca del dottor Fang al MIT, spiega: “Vogliamo usare la temperatura corporea come trigger. Se riusciamo a progettare correttamente i polimeri, potremmo essere in grado di creare un dispositivo di consegna del farmaco che rilascerà la sostanza solo se si sviluppa una febbre.”

Anche il settore dei trasporti in senso lato è interessato alla stampa 4D, sia nel settore automobilistico che aerospaziale. Nel 2018, vi abbiamo parlato del materiale gonfiabile che era stato sviluppato da BMW e MIT, ha forgiato forma e dimensioni sotto l’effetto di impulsi d’aria. Un materiale interessante per progettare i futuri pneumatici, ad esempio, in grado di autoripararsi in caso di foratura o di adattarsi alle condizioni climatiche più estreme. Oltre alle auto, si può parlare anche di aerei. Un componente stampato in 4D potrebbe reagire ai cambiamenti di pressione atmosferica o di temperatura, e quindi cambiare funzione – Airbus sta attualmente lavorando su questo tema. Il gigante aerospaziale spiega che questi componenti potrebbero sostituire cerniere, attuatori idraulici e quindi ridurre notevolmente il peso di questi dispositivi.

Immaginate uno sgabello che si piega e si disfa da solo | Credits: Self-Assembly Lab

Infine, la stampa 4D è più che interessante per tutte le applicazioni che richiedono un alto grado di personalizzazione poiché è possibile programmare il materiale secondo le nostre esigenze. In questa fase il concetto potrebbe sembrare strano ma si potrebbero immaginare vestiti che prendono la forma reale del nostro corpo, mobili che si piegano e si dispiegano per risparmiare spazio, ecc.

Il futuro della stampa 4D

Anche se piena di promesse, questa tecnologia ha ancora molti limiti: qual è la reale resistenza dei materiali intelligenti nel tempo? Saranno ancora in grado di svolgere i loro compiti nel lungo periodo? Molte aziende stanno ancora testando questo processo di fabbricazione e poche hanno riportato i loro risultati. Bastien E. Rapp ci ha detto che la stampa 4D comporta una certa quantità di conoscenze molto tecniche, il che rende più difficile democratizzarla quanto la fabbricazione additiva. “Poiché si tratta di una materia piuttosto complessa, che richiede un ottimo controllo dei materiali e della fabbricazione, potrebbe non diventare così ampiamente disponibile e accessibile come la stampa 3D. Ma avrà comunque un impatto significativo sull’industria.”

BMW ha stampato in 4D un materiale siliconico che può gonfiarsi da solo: è questo il futuro della pneumatica?