Stampa 4D: termoretraibile oggetti stampati
Plastiche stampate che cambiano forma una volta riscaldate in modo predeterminato? Ciò è reso possibile da una tecnologia di stampa 4D sviluppata nel Fraunhofer Cluster of Excellence Programmable Materials CPM. La misura in cui gli oggetti stampati cambiano forma è drastica: possono ridursi fino al 63 percento. Le tecnologie di produzione 4D potrebbero essere utilizzate in futuro in cui i pezzi in lavorazione dovrebbero svolgere il loro compito solo dopo la formatura predefinita, ad esempio come elementi di collegamento nell’assemblaggio di componenti, ad es. B. nei settori della tecnologia medica, dell’ingegneria meccanica, automobilistica o aeronautica.
La stampa 3D è alla moda, dopotutto, come tecnologia di produzione additiva, offre numerosi vantaggi. Ad esempio, prodotti e dimostratori possono essere progettati individualmente e sono rapidamente disponibili. Un team di ricerca del Fraunhofer CPM sta apportando un grande vantaggio: produce oggetti di stampa utilizzando la cosiddetta stampa 4D. Con questa tecnologia si aggiunge la dimensione spazio, cioè 3D, la dimensione tempo, cioè 1D. In questo modo, gli oggetti possono essere stampati da polimeri a memoria di forma, che possono successivamente cambiare forma una volta riscaldati – e questo in un modo abbastanza notevole: campioni a forma di bastoncino di circa quattro centimetri di lunghezza si restringono fino al 63 percento. Le curvature possono essere implementate anche in modo mirato. “Inizialmente abbiamo ipotizzato una geometria dell’asta relativamente semplice e poi siamo diventati più complessi producendo anche campioni cilindrici cavi e cuboidi cavi”, afferma il dott. Thorsten Pretsch del Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research IAP, che coordina il progetto all’interno del Fraunhofer CPM. “Abbiamo determinato in anticipo il comportamento del materiale desiderato per tutte le geometrie esaminate”.
Il comportamento di restringimento e le curvature possono essere regolati con precisione
Per regolare la reazione a un aumento della temperatura, ci sono generalmente due opzioni. Il primo è la scelta del materiale: qui i ricercatori hanno sviluppato un nuovo polimero a base di poliuretano termoplastico, o in breve TPU, con proprietà di memoria di forma. Il team ha anche dimostrato che i risultati della stampa 4D possono essere trasferiti anche a un altro polimero termoplastico: hanno prodotto oggetti di stampa termoretraibili dall’acido polilattico di plastica a base biologica, o PLA in breve. La seconda possibilità risiede nella sapiente gestione del processo di stampa. “Il trucco è che abbiamo i materialiLasciare raffreddare poco tempo durante la stampa. Ciò consente di risparmiare drastiche sollecitazioni interne nel materiale. Il successivo effetto di restringimento è quindi molto pronunciato, «dice Pretsch. In breve: scegliendo il materiale, la temperatura di lavorazione e la velocità di stampa, è possibile regolare non solo il comportamento di restringimento, ma anche lo stato curvo.
Sviluppo dal monomero al riciclaggio dei materiali
La prima fase del progetto è consistita nello sviluppo del materiale e nel trasferimento dei risultati dal TPU al PLA. Nella seconda fase, è stato sviluppato un dimostratore: un apriporta che viene ridotto sulla maniglia di una porta in modo che possa essere azionato con il gomito senza contatto con la mano. Lo smontaggio è semplice: riscaldandolo nuovamente, l’apriporta può essere rimosso dalla maniglia senza lasciare residui. Se l’oggetto di stampa non è più necessario, può essere macinato e rielaborato in filamento, che può essere utilizzato almeno un’altra volta per la stampa 4D. »Il concetto è olistico e orientato al futuro. Nel senso di un approccio dalla culla alla culla, abbiamo attraversato un ciclo del prodotto: dalla selezione dei monomeri e della sintesi dei polimeri alla stampa 4D di un dimostratore e al suo riciclaggio dei materiali «,
I quattro istituti Fraunhofer hanno contribuito con le loro competenze specifiche: il Fraunhofer IAP ha sintetizzato il polimero a memoria di forma, ha sviluppato ulteriormente la tecnologia di stampa 4D e ha effettuato il riciclaggio del materiale. Linda Weisheit del Fraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technology IWU ha sviluppato il concetto di rigidità programmabile dei materiali 4D. Per la progettazione del dimostratore, sono state effettuate simulazioni matematiche presso il Fraunhofer Institute for Industrial Mathematics ITWM: “Ad esempio, abbiamo esaminato come viene distribuita la forza nell’apriporta quando viene caricato. Eravamo anche interessati a quale design fosse particolarmente vantaggioso sullo sfondo del consumo di materiale “, spiega il dott. Heiko Andra. Le prove pratiche si sono svolte presso il Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials IWM. “Si trattava della questione di quali coppie si verificano quando l’apriporta è caricato”, spiega il dott. Tobia Amann.
