Gli ingegneri dell’Università del Maryland (UMD) hanno creato un nuovo ugello di stampa 3D che cambia forma o “morphing” che è stato presentato come frontespizio nel numero del 5 gennaio della rivista Advanced Materials Technologies.
L’ugello di morphing del team offre ai ricercatori nuovi mezzi per la stampa 3D di “compositi riempiti di fibre“: materiali costituiti da fibre corte che aumentano le proprietà speciali rispetto alle tradizionali parti stampate in 3D, come il miglioramento della resistenza delle parti o della conduttività elettrica. La sfida è che queste proprietà si basano sulle direzioni o “orientamenti” delle fibre corte, fino ad ora difficile da controllare durante il processo di stampa 3D.
“Quando si stampa in 3D con l’ugello di morphing, la potenza risiede sui loro attuatori laterali, che possono essere gonfiati come un palloncino per cambiare la forma dell’ugello e, a sua volta, gli orientamenti delle fibre”, ha detto Ryan Sochol, assistente professore in ingegneria meccanica e direttore del laboratorio Bioinspired Advanced Manufacturing (BAM) presso la A. James Clark School of Engineering dell’UMD.
Per dimostrare il loro nuovo approccio, i ricercatori hanno messo gli occhi sulle applicazioni emergenti di “stampa 4D“. “La stampa 4D si riferisce al concetto relativamente nuovo di oggetti di stampa 3D che possono rimodellare o trasformarsi a seconda del loro ambiente”, ha detto il professore di ingegneria meccanica UMD David Bigio, coautore dello studio.
“Nel nostro lavoro, abbiamo esaminato il modo in cui le parti stampate si gonfiano quando vengono immerse in acqua e, in particolare, se potessimo alterare il comportamento di rigonfiamento utilizzando il nostro ugello di morphing.”
I recenti progressi nella stampa 4D si basano su materiali in grado sia di espansione “anisotropa”, gonfiandosi più in una direzione che in un’altra, così come espansione “isotropica”, rigonfiamento identico in tutte le direzioni. Sfortunatamente, il passaggio da una condizione all’altra ha generalmente richiesto ai ricercatori di stampare con più materiali diversi.
“Ciò che è stato entusiasmante è stato scoprire che potevamo causare la transizione di un singolo materiale stampato tra gonfiore anisotropo e isotropo semplicemente cambiando la forma dell’ugello durante il processo di stampa 3D”, ha affermato Connor Armstrong, autore principale dello studio. Armstrong ha sviluppato l’approccio come parte della sua ricerca sulla tesi di laurea magistrale all’UMD.
“È importante sottolineare che la capacità dell’ugello di trasformarsi e di uniformare il punteggio in termini di proprietà di rigonfiamento non è limitata alla stampa 4D”, ha detto il coautore dello studio e studente universitario di ingegneria meccanica recentemente laureato Noah Todd. “Il nostro approccio potrebbe essere applicato per la stampa 3D di molti altri materiali compositi per personalizzare le loro proprietà elastiche, termiche, magnetiche o elettriche, ad esempio.”
È interessante notare che, per costruire l’ugello di morphing stesso, il team si è effettivamente rivolto a una diversa tecnologia di stampa 3D chiamata “PolyJet Printing”. Questo approccio basato su getto d’inchiostro multimateriale offerto dal Terrapin Works 3D Printing Hub di UMD ha permesso ai ricercatori di stampare in 3D il loro ugello con materiali flessibili per gli attuatori laterali gonfiabili e il canale centrale che cambia forma, ma poi materiali rigidi per l’involucro esterno e il porte di accesso.
“L’uso della stampa 3D PolyJet multimateriale ci ha permesso di progettare l’ugello con un intervallo di potenza operativa o un insieme di grandezze di pressione che possono essere riprodotte praticamente in qualsiasi laboratorio di ricerca”, ha detto il coautore dello studio e candidato PhD in ingegneria meccanica Abdullah Alsharhan.
In un’applicazione di questo nuovo approccio, il team sta esplorando l’uso della propria strategia per realizzare applicazioni biomediche in cui gli oggetti stampati in blocco potrebbero rimodellarsi in presenza di particolari stimoli dal corpo. Il team sta anche discutendo con diversi laboratori del Dipartimento della Difesa per utilizzare l’ugello di morphing per supportare la produzione di armi per la difesa e altri sistemi militari.
“Fornendo ai ricercatori un modo accessibile per stampare in 3D materiali compositi riempiti di fibre con il controllo su richiesta dei loro orientamenti delle fibre e, quindi, le loro prestazioni finali”, ha detto Sochol, “questo lavoro apre la porta a nuove applicazioni di stampa 3D che sfruttare queste proprietà uniche dei materiali e le capacità distintive che consentono “.