Sample Business Objective #1

Introduzione

Stampa 4D – Definizione

L’introduzione della quarta dimensione nella tecnologia di stampa 3D è chiamata “stampa 4D”. Con questa nuova dimensione, gli oggetti stampati in 3D possiedono la capacità di cambiare la loro forma da soli sotto l’influenza di stimoli esterni, come la luce, il calore, l’elettricità, il campo magnetico, ecc. Integrando la dimensione del tempo, gli oggetti stampati cambiano la loro forma dinamicamente in base alle esigenze e alle richieste della situazione, senza alcuna parte elettromeccanica o parti mobili. Questo fenomeno di cambiamento di forma degli oggetti stampati in 3D si basa sulla capacità del materiale di trasformarsi nel tempo in risposta a stimoli specifici, e non richiede l’intervento umano per aiutare il processo.

Emergenza della stampa 4D dalla stampa 3D

La stampa 3D, una tecnica di produzione additiva, è considerata come una delle innovazioni più dirompenti nel campo della produzione moderna. Ha trasformato completamente il modo in cui le parti/componenti e le attrezzature sono prodotte nell’industria, insieme al loro design e sviluppo. La stampa 3D permette ai produttori e ai ricercatori di sviluppare forme e strutture complesse, che prima erano considerate impossibili con i metodi di fabbricazione tradizionali. La tecnologia di stampa 3D ha assistito a continui progressi negli ultimi 3 decenni e si è evoluta drasticamente. Nonostante la sua capacità di creare design complessi, bio-ispirati e multi-materiale, la stampa 3D non è ancora pronta per essere adottata nella produzione su larga scala.

La crescente necessità di oggetti flessibili in varie applicazioni, come gli imballaggi auto-pieghevoli, le turbine eoliche adattive, ecc, ha alimentato l’emergere della stampa 4D. I ricercatori stanno attualmente guardando avanti rispetto alla stampa 3D convenzionale, che fabbrica strutture da un singolo materiale, per sviluppare una struttura metamateriale. La struttura metamateriale è generata dalla combinazione di diversi materiali che forniscono risposte strutturali sovrapposte quando attivati da stimoli esterni. La stampa congruente di materiali diversi formerà l’anisotropia del materiale, che permette all’oggetto di cambiare la struttura piegandosi, allungandosi, torcendosi e corrugandosi lungo i suoi assi. I ricercatori stanno lavorando ulteriormente sull’espansione di questi cambiamenti strutturali per creare armadietti, sollevatori, microtubi, robot morbidi, giocattoli, ecc. Questa capacità degli oggetti di trasformare la loro struttura nel tempo utilizzando il comportamento di materiali diversi è definita come stampa 4D.

Le principali differenze tra la stampa 3D e la stampa 4D sono l’uso dei materiali da stampare e la struttura di stampa. Le figure 1 e 2 qui sotto spiegano le principali differenze tra la stampa 3D e la stampa 4D.

Materiali e tecnologie per la stampa 4D

Aree di ricerca principali

Come la tecnologia di stampa 4D è ancora nella sua fase nascente, i materiali usati per essa sono minimi. Tuttavia, ci si aspetta che la ricerca e il progresso nella stampa 3D forniscano nuove opportunità per la stampa 4D. Le principali aree di ricerca attualmente a fuoco per quanto riguarda la stampa 4D sono rappresentate nell’Esposizione 3 qui sotto.

Smart Material è una delle aree di ricerca altamente focalizzate nella stampa 4D, in cui il meccanismo di deformazione di vari materiali è sintetizzato secondo le loro risposte a vari stimoli esterni. L’Equipment Design si occupa di sviluppare una tecnologia di stampa avanzata, che può stampare più materiali in modo congruente. Attualmente, i ricercatori usano la cura diretta a getto d’inchiostro, la modellazione a deposizione fusa, la stereolitografia, il bioprinting assistito dal laser e i metodi di fusione laser selettiva per la stampa 4D. La ricerca sulla modellazione matematica è essenziale per comprendere le strutture funzionali degli oggetti stampati 4D. Prevede il processo di deformazione (in avanti) e di formazione (all’indietro) di un oggetto innescato da stimoli.

Selezione dei materiali

I materiali per la stampa 4D sono classificati in base al loro ambiente o agli stimoli esterni con cui reagiscono. Le attuali classi di materiali intelligenti sono attualmente classificate nelle seguenti categorie:

Materiali termo-reattivi

Questi materiali lavorano sul meccanismo dell’effetto memoria di forma (SME). Sono classificati in leghe a memoria di forma (SMA), polimeri a memoria di forma (SMP), ibridi a memoria di forma (SMH), ceramiche a memoria di forma (SMC) e gel a memoria di forma (SMG). La maggior parte dei ricercatori preferisce gli SMP perché è facile stampare su questi materiali. Si formano e si deformano quando il calore o l’energia termica viene applicata come stimolo.

Materiali reattivi all’umidità

I materiali che reagiscono quando sono a contatto con l’acqua o l’umidità sono classificati sotto questa categoria. Tali materiali sono ampiamente preferiti dai ricercatori, poiché l’acqua è disponibile in abbondanza, e può essere utilizzata in una vasta gamma di applicazioni. L’idrogel è uno dei materiali intelligenti che rientrano in questa categoria in quanto reagisce vigorosamente con l’acqua. Per esempio, l’idrogel può aumentare le sue dimensioni fino al 200% del suo volume originale, quando entra in contatto con l’acqua.

Materiali foto/elettro/magnetici sensibili

Questi materiali reagiscono alla luce, alla corrente e ai campi magnetici. Per esempio, quando i cromofori fotoreattivi sono infusi in gel polimerici in punti specifici, si gonfiano assorbendo la luce quando sono esposti alla luce naturale. Allo stesso modo, quando la corrente viene applicata a un oggetto contenente etanolo, questo evapora, aumentando così il suo volume ed espandendo la matrice complessiva. Le nanoparticelle magnetiche sono incorporate nell’oggetto stampato per ottenere il controllo magnetico dell’oggetto.

Applicazioni della stampa 4D

L’idea dell’oggetto intelligente pre-programmato (creato usando materiali intelligenti) sembrerebbe avere diverse applicazioni in vari settori. Tuttavia, essendo una nuova tecnologia, la maggior parte delle applicazioni sono attualmente in fase di ricerca &di sviluppo. Si prevede che le principali applicazioni di uso finale della tecnologia di stampa 4D sorgeranno dalle industrie sanitarie, automobilistiche, aerospaziali e di consumo. Tuttavia, il potenziale della stampa 4D dovrebbe avere un impatto anche su altre industrie, come l’elettronica, l’edilizia, l’industria, ecc. nel prossimo futuro.

Alcune delle attuali ricerche nel campo della stampa 4D sono rappresentate nella seguente Esposizione 5.

Il materiale autogonfiabile sviluppato da BMW, in collaborazione con il MIT (come mostrato nella tabella precedente) ha raccolto l’interesse di diversi esperti. Il materiale, fatto di silicone si gonfia quando viene attivato da impulsi d’aria, potrebbe essere il futuro della pneumatica. Oltre agli esempi sopra citati, ci sono diverse altre attività di ricerca &sviluppo intraprese dai protagonisti dell’industria della stampa 4D. Per esempio, alcune delle applicazioni nell’industria sanitaria includono la “consegna mirata di farmaci”, la “fabbricazione di stent” per una minima invasione chirurgica, lo sviluppo di “stecche” che cambiano forma, ecc. Lo sviluppo di ‘Soft Robotics’ e ‘Attuatori idraulici e pneumatici’ sono alcune delle applicazioni chiave in questo settore industriale. La costruzione di strade e ponti autorigeneranti potrebbero essere potenziali applicazioni nell’industria delle costruzioni.

La seguente Esposizione 6 spiega il possibile impatto temporale della stampa 4D su varie applicazioni nelle industrie.

Maturità tecnologica della stampa 4D

La seguente Esposizione 7 mostra l’attuale fase degli sviluppi tecnologici nella stampa 4D. Essendo nella fase di innesco dell’innovazione, la tecnologia ha certamente creato molto hype; tuttavia, ci vorranno più di 10 anni per raggiungere il plateau della produttività.

Il ciclo dell’hype indica anche che diversi progressi nella stampa 3D sono ancora nelle fasi di innesco dell’innovazione e di aspettative gonfiate del ciclo di vita. Questo implica che la stampa 3D ha una lunga strada da percorrere, e la stampa 4D, essendo il successore della stampa 3D, potrebbe essere lenta nel suo progresso. Tuttavia, non è obbligatorio che i progressi nella stampa 4D debbano sempre seguire la stampa 3D. A parte le capacità di una stampante 3D (la sua capacità di stampare materiali multipli in modo congruente e di stampare su diversi assi), altre aree di ricerca che si concentrano sui materiali intelligenti e sulla modellazione matematica non dipendono apertamente dalla stampa 3D.

Conclusione – Opportunità e sfide

Sono in corso diversi progetti di ricerca e sviluppo specifici per la stampa 4D in settori come la sanità, l’elettronica, l’automobile, l’aerospazio e la difesa, gli elettrodomestici (moda e beni di consumo durevoli), il tessile, le costruzioni e i macchinari industriali. Nonostante sia una tecnologia nuova, le opportunità potenziali presentate dalla stampa 4D sono vaste e sono riconosciute da diversi esperti del settore.

Il mercato della stampa 4D sta iniziando a stabilirsi, grazie a numerose attività di ricerca e sviluppo. L’opinione sulla crescita del mercato è varia tra gli esperti. La visione ottimistica della tecnologia suggerisce che il mercato crescerebbe ad un CAGR di circa il 33% (un aumento stimato delle dimensioni del mercato da 35 milioni di dollari nel 2019 a 200 milioni di dollari entro il 2025). Tuttavia, essendo una nuova tecnologia nelle sue fasi iniziali, FutureBridge prevede che il mercato della stampa 4D crescerà a un tasso leggermente più lento del 20% entro il 2025 (fare riferimento all’Esposizione 8).

Nonostante sia una tecnologia promettente, la stampa 4D deve superare diversi ostacoli tecnologici prima di essere ampiamente adottata. Alcune delle principali sfide nell’industria della stampa includono la mancanza di capacità di fornire strutture di supporto per oggetti complessi, la mancanza di stampanti multi-materiale, la mancanza di stampanti a basso costo e di materiali intelligenti, tempi di stampa lenti e la limitata affidabilità degli oggetti stampati nel lungo periodo. Anche se ci sono alcuni progressi nella tecnologia di stampa, come l’attrezzatura di stampa a 5 assi, che dovrebbe eliminare il problema della costruzione di strutture di supporto per strutture interne complicate, altre sfide rimangono ancora.

Inoltre, sfide come l’attuazione lenta e imprecisa, la mancanza di controllo sugli stati intermedi di deformazione, e la disponibilità limitata di materiali sono altre ragioni per l’adozione ritardata della tecnologia di stampa 4D. Tuttavia, considerando l’interesse mostrato dai produttori e l’alto livello di attività di ricerca e sviluppo rispetto alla stampa 4D, la tecnologia potrebbe fare un salto esponenziale a un ritmo più veloce di quello previsto. Infine, i produttori che vogliono essere all’avanguardia dei cambiamenti e dei progressi tecnologici dovrebbero stare al passo con i progressi tecnologici e le potenziali implicazioni della stampa 4D.