Tra tecnologie di stampa 3D e ricerca sui materiali compositi: l’era degli smart materials è sempre più vicina

La stampa 3D sta ricercando soluzioni tecnologiche sempre più creative per dare forma a materiali compositi sempre più evoluti, performanti e semplici da realizzare. Il laboratorio BAM (Bioinsipired Advanced Manufacturing) della University of Maryland ha sorpreso tutti grazie a un multi-ugello in grado di cambiare dinamicamente la propria forma per variare la direzione delle fibre corte contenute nei materiali compositi. Ciò consentirebbe di ottenere parti capaci di assumere molteplici configurazioni utilizzando un solo materiale di base, differentemente a quanto avvenuto finora.

TAKEAWAY

  • I ricercatori della University of Maryland hanno progettato un ugello in grado di cambiare forma per variare la direzione delle fibre corte durante il processo di stampa 3D dei materiali compositi.
  • Lo sfruttamento delle capacità isotropiche dei materiali è destinato a rivoluzionare il quadro produttivo di molte industrie, tra cui medicale, energia, costruzioni, automotive e aerospaziale.
  • Per i principali analisti, il business della stampa 3D è destinato a crescere in maniera esponenziale nei prossimi anni. Lo confermano i crescenti investimenti che derivano dai principali ambiti industriali.

La stampa 3D è uno degli ambiti tecnologici più affascinanti e ricchi di potenzialità nell’ambito della ricerca, chiamata ad affrontare le sfide chiave per fabbricare il nostro futuro.

Tra le ricerche recenti, non è passata inosservata quella condotta presso il laboratorio BAM (Bioinsipired Advanced Manufacturing) della University of Maryland, che ha progettato un ugello in grado di cambiare forma durante il getto, variando di conseguenza l’orientamento delle fibre corte presenti nei materiali compositi.

Il paper relativo alla ricerca è stato pubblicato per esteso su Advanced Materials Technologies e ha riscosso prontamente l’interesse di molti investitori. Il laboratorio dell’Ateneo avrebbe infatti già stabilito degli accordi per alcune sperimentazioni in ambito biomedicale, per parti in grado di cambiare forma all’interno del corpo umano, e militare, grazie a un accordo di collaborazione con il Dipartimento della Difesa degli USA.

Prodotto grazie a una stampante 3D multimateriale come la Stratasys Objet500, questo rivoluzionario ugello, accanto alle parti dure da cui fuoriesce il getto durante il processo di stampa, affianca delle zone gonfiabili morbide che, deformandosi, consentono di cambiare la forma complessiva dell’ugello. La variazione dinamica durante il getto consente appunto di variare l’orientamento delle fibre contenute nel materiale fuso. Vediamo quali sono i concetti di base e le potenzialità che questo ingegnoso stratagemma potrebbe abilitare nel contesto produttivo.

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Il rivoluzionario sistema di funzionamento dell’ugello per la stampa 3D progettato nei laboratori della University of Maryland (Credit: University of Maryland).

Dalla stampa 4D alla stampa 3D: la semplificazione del processo

All’apparenza un ugello multi-getto in grado di variare la propria forma potrebbe apparire quale un semplice accorgimento di una tecnologia già ampiamente in uso, e di fatto per certi versi lo sarebbe, se non fosse che questa intuizione rischia di risolvere uno degli attuali limiti degli oggetti formati da materiali compositi: dipendere dall’impiego di più materiali per soddisfare determinate proprietà fisiche e comportamentali.

In altri termini, se questa tecnologia riuscirà a essere ingegnerizzata e ad arrivare concretamente sul mercato, si potranno utilizzare tecnologie di stampa 3D per ottenere quei risultati che abitualmente vengono associati alla stampa 4D. La differenza, più che nella tecnologia, risiede soprattutto nei materiali utilizzati.

Nel caso della stampa 4D ci si riferisce a materiali in grado di cambiare la propria forma o le proprie caratteristiche comportamentali al variare di determinate condizioni ambientali. Ciò è possibile grazie ad applicazioni in grado di sfruttare le qualità isotropiche dei materiali, che grazie a fibre e sensori diventano attivi ed intelligenti, rivoluzionando di fatto l’ingegneria dei materiali e della produzione così come l’abbiamo intesa fino ad oggi.

Le potenzialità dei materiali compositi intelligenti sono di portata davvero dirompente. In ambito medicale sarebbe ad esempio possibile creare tessuti o antibiotici in grado di reagire attivamente alle variazioni della temperatura corporea. In ambito energetico, tra le altre cose, i materiali a memoria di forma possono dare un notevole impulso all’efficienza dei pannelli solari, agendo da sensori per gestire la loro eventuale rotazione, alla costante ricerca della condizione più redditizia.

Nell’industria delle costruzioni sarebbe finalmente possibile utilizzare dei materiali autoriparanti o autorigeneranti, in grado di agire in maniera predittiva nelle opere infrastrutturali. Gli esempi che potremmo fare sarebbero davvero innumerevoli ed è soprattutto opportuno far notare come i materiali compositi intelligenti trovino già un utilizzo concreto in settori particolarmente avanzati, come quello aerospaziale, che da diverso tempo dedicano risorse molto importanti alla ricerca su questi argomenti tecnologici.

Grazie all’impiego di una tecnologia in grado di adattare un processo di stampa 3D già esistente, come l’ugello progetto da UMD, variare la direzione delle fibre corte consentirebbe infatti di gestire in maniera puntuale le proprietà stesse del materiale in ogni parte dell’oggetto, influenzando le sue caratteristiche fondamentali: resistenza, conduttività, elasticità.

Un processo di stampa 3D basato su un unico materiale composito potrebbe pertanto semplificare moltissimo lo sviluppo di soluzioni su larga scala in grado di sfruttare le proprietà dei materiali in maniera decisamente più avanzata rispetto a quanto è avvenuto finora.

Dalla ricerca alla produzione: il futuro della stampa 3D dei materiali compositi

Il sorprendente caso prodotto dalla University of Maryland non costituisce una novità in senso assoluto. Vi sono vari filoni di ricerca che stanno percorrendo direzioni tecnologiche differenti per cercare di risolvere esigenze piuttosto simili, sia in ambito hardware che in ambito software.

A livello di tecnologie di stampa 3D, la startup Fortify ha sviluppato un originale sistema in grado di variare la direzione delle fibre corte nella resina grazie all’orientamento di alcuni magneti. Un team della Harvard University ha invece messo a punto una tecnologia multi-materiale e multi-ugello, denominata MM3D, con l’obiettivo di generare in un unico processo di stampa degli elementi che di consueto sarebbero prodotti in parti e successivamente assemblati.

Su altri fronti della ricerca, non manca l’impegno per rendere queste tecnologie sempre più semplici da utilizzare. È il caso di un gruppo di ricerca di ETH Zurich, che ha sviluppato un framework in grado di parametrizzare il design di un sistema di ugelli personalizzati. Grazie a una interfaccia semplificata, anche chi non è un esperto di CAD per la progettazione meccanica può configurare a piacimento ugelli stampabili in 3D con tecnologia FDM, un processo mediamente economico e capace di produrre parti rigide caratterizzate da un’elevata resistenza meccanica.

A livello commerciale, il livello non è ovviamente ancora paragonabile ai casi di ricerca citati, ma sono da anni presenti produttori come Markforged e Desktop Metal che continuano a sviluppare in maniera incessante materiali e tecnologie per la stampa 3D dei materiali compositi.

Ogni produttore vanta tecnologie e brevetti differenti, ma tendenzialmente ritroviamo sul mercato dei materiali su base polimerica arricchiti da fibre non continue (o fibre corte) immerse nel nylon di base, per ottenere una resistenza multidirezionale, piuttosto che fibre continue, in grado di garantire una resistenza spiccatamente direzionale. Tra le principali fibre utilizzate ritroviamo la fibra di vetro, la fibra di carbonio e il kevlar.

In particolare, Desktop Metal è di recente salita agli onori della cronaca di settore grazie all’acquisizione di EnvisionTEC, per una cifra stimata attorno ai 300 milioni di dollari. Nell’ambito di una lunga intervista rilasciata a ZDNet, il presidente di Desktop Metal, Ric Fulop, pare avere le idee molto chiare in merito agli scenari di business che si prospettano per la stampa 3D: “Attualmente il mercato della manifattura additiva vale circa 12 miliardi di dollari, rispetto al business globale della manifattura ciò equivale a una penetrazione dello 0,1%, una situazione simile a quella che i semiconduttori avevano nei primi anni ‘70”.

La recente acquisizione di EnvisionTEC apre per Desktop Metal ulteriori prospettive per la stampa 3D dei biomateriali. Secondo Fulop, i tempi per assistere a una proliferazione del business della stampa 3D in questi ambiti non sarebbero tuttavia brevissimi:

La biofabbricazione è principalmente divisa in due aree, quella in cui vi è presenza di cellule e quella in cui non vi è presenza di cellule, dove si stanno iniziando a stampare in 3D componenti del corpo come gli innesti vascolari, menischi, cartilagini, cose di questo genere, che sarebbero impossibili da realizzare con la produzione convenzionale, sia per forme che per materiali. Si tratta di applicazioni utilissime che al momento forse poche persone sono in grado di capire. Oggi parliamo di un volume d’affari da zero miliardi di dollari, ma nel giro di un decennio sono convinto che assisteremo a un grande business nell’ambito della biofabbricazione”

I tempi in cui hanno i media hanno cercato in tutti i modi di rifilarci un’inutile quanto suggestiva stampante 3D domestica appartengono per fortuna al passato. Oggi la stampa 3D è realmente volta alla ricerca dell’utile, dedicando crescente interesse nei confronti della produzione per superare drasticamente l’efficienza dei sistemi tradizionali, con l’obiettivo di soddisfare una domanda sempre più specifica e personalizzata in tutti i settori della manifattura.

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Francesco La Trofa
Da vent’anni attivo nella ricerca relativa alle tecnologie 3D, divulgatore sul tema delle applicazioni enterprise di tali tecnologie e autore di “VR Developer. Il creatore di contenuti in realtà virtuale ed aumentata” (2018), edito da Franco Angeli (vrdeveloper.info). Scrive di IT anche per il portale https://www.sergentelorusso.it/
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