La stampa 4D : stato dell'arte, applicazioni e sperimentazione di materiali termoplastici in commercio

A whole new frontier in the field of additive manufacturing consists in the recent development of 4D printing. This technology, by means of off-the-shelf 3D printers, is able to exploit the properties of stimuli-responsive materials to make objects that change one or more features when exposed to an external stimulus. The aim of the present work is to investigate, both theoretically and experimentally, the practical capabilities of this technology. The thesis starts with an introduction to the origin of digital fabrication, moving, then, to the description of the Maker Movement and the developments of additive fabrication, till the identification of its limits. A viable alternative to overcome these limits is therefore seen in the additive manufacturing of functional and programmable materials, capable of highlighting the benefits of 3D printing. As a result, 4D printing becomes the core of the work, as the latest and most promising twist in the field: its definition is given, as well as explanations of the stimuli and the programming mechanisms of stimuli-responsive materials, grouped as composite and multifunctional. In this context, some of the pioneering works of the Self-Assembly Lab (MIT), initiator of the 4D concept, are reported. The research ends with the evaluation of application fields suitable to 4D printing, together with market related considerations and an analysis of the advantages and the risks linked to the use and misuse of the technology. The experimental part is consistent with those authors who, in the literature, proposed 4D structures able to exploit materials and printers widespread on the market. These structures have then been recreated and, in particular, grown in height, i.e. along the axis Z direction, to verify how a dimensionally different structure may affect the shape memory capabilities. To conclude, some inputs for the implementation of this technology are given, a technology that, even though in the present day has not reached a proper level for creating an actual product yet, surely, given its potential, will inspire inventors and designers with the generation of numerous ideas for future applications that might reveal to be revolutionary for the individual and the community.

La nuova frontiera della manifattura additiva è rappresentata dal recente sviluppo della stampa 4D che, attraverso l’impiego delle tradizionali stampanti 3D, sfrutta le proprietà di materiali stimuli-responsive per la fabbricazione di oggetti in grado, se sottoposti a uno stimolo esterno, di modificare una o più caratteristiche. Lo scopo di questo elaborato è quello di indagare, prima da un punto di vista teorico e, successivamente, pratico-sperimentale, le potenzialità applicative di questa tecnologia. La tesi si apre con un’introduzione al contesto in cui la fabbricazione digitale è nata, per passare, in seguito, alla descrizione del Movimento dei Maker e degli sviluppi della fabbricazione additiva, sino ad arrivare a un’individuazione dei limiti che presenta. Si identifica, quindi, nella manifattura additiva dei materiali funzionali e programmabili una valida alternativa, capace di porre in risalto gli aspetti vantaggiosi della stampa 3D. In questo modo, la stampa 4D diventa la protagonista, in quanto sviluppo più recente e promettente del settore: ne viene fornita la definizione insieme all’illustrazione degli stimoli e dei meccanismi di programmazione dei materiali stimuli-responsive, che vengono classificati come compositi e multifunzionali. Vengono quindi, a tal proposito, riportati alcuni dei progetti pioneristici del Self-Assembly Lab del MIT, iniziatore della tecnologia. La sezione dello scritto dedicata alla ricerca si conclude con una valutazione dei possibili settori di applicazione della stampa 4D, insieme a valutazioni relative al suo mercato e ai rischi e ai vantaggi ad essa legati. Nella parte sperimentale si è deciso di approfondire quegli autori che, in letteratura, hanno proposto strutture 4D che sfruttano materiali e stampanti già diffusi e in commercio. Si è proseguito, poi, sviluppando le strutture ricreate in altezza, e quindi in direzione dell’asse Z, per verificare se il materiale, cambiando una delle dimensioni della struttura, mantenesse le sue proprietà di memoria di forma. Infine, vengono forniti degli spunti per l’implementazione, in artefatti di diverso genere, di questa tecnologia che, al giorno d’oggi, non si è ancora rivelata avanzata ad un livello sufficiente per la realizzazione di un prodotto giustificabile in toto ma che, sicuramente, per le sue potenzialità, genera nella mente di inventori e progettisti numerosissime idee per applicazioni future che potranno rivelarsi rivoluzionarie per l’individuo e per la collettività.