3D Printing of PLA rigid structures onto pre-stretched soft fabrics

3D printing technology is exponentially growing for its ease of use and the capability to produce complex shapes reducing waste material in the process. These features allowed a rapid expansion in the manufacturing industry, and so innovation. 4D printing exploits the main features of the 3D printing technologies, combined with elements that act along time, introducing the so called “fourth dimension”. Time can be a powerful ally in the production of functional products that exploit external inputs, such as environmental factors or electric stimuli, to activate these products and generate a substantial advantage in their efficiency and functionality. This thesis focuses on the application of 3D printed stiff geometries onto pre-stretched soft tissues that act as muscles to deform the geometries, giving new functionalities. Voron 2.4 3D printer is assembled and coded in the first place, and specific calibrations are done to set the best parameters to use in this work. PLA, the most used 3D printing material by Fused Deposition Modelling technology, is coupled with Lycra fabrics, a soft tissue used mostly for garments and clothing. The stiffness of PLA allows a controlled deformation of the objects, and different patterns are analyzed to better understand the effect of simpler elements. Starting from the study of a simple beam deformed under a fixed stretching parameter. The Arruda-Boyce hyperelastic model has been chosen to simulate the fabrics’ mechanical behavior. From the simple beam geometry, a set of geometries is then tested to understand how beams orientation and changes in the geometry affect the final shape of the objects. Circular shaped sections show the highest deflections under uniaxial and biaxial pre-stretching tests. This can be an advantage in terms of new design possibilities, but it might be difficult to make these shapes functional. On the other hand, square-shaped and cross-shaped sections showed a great potential for future applications in the energetic field. In fact, if coupled with piezoelectric materials, they can be tuned up changing the geometry parameters or the stretching parameter to create panels reactive to environmental sudden changes, such as wind or rain, that can transform them into dynamic generators of electric current.

La tecnologia di stampa 3D sta crescendo esponenzialmente per la sua facilità d’uso e la capacità di produrre forme complesse riducendo il materiale di scarto. Queste caratteristiche hanno consentito una rapida espansione dell’industria manifatturiera, e quindi dell’innovazione. La stampa 4D sfrutta le principali caratteristiche delle tecnologie di stampa 3D, combinate con elementi che agiscono nel tempo, introducendo la cosiddetta “quarta dimensione”. Il tempo può essere un potente alleato nella produzione di prodotti funzionali che sfruttano input esterni, come fattori ambientali o stimoli elettrici, per attivare questi prodotti e generare un vantaggio sostanziale nella loro e funzionalità. Questa tesi si concentra sull’applicazione di geometrie rigide stampate in 3D su tessuti molli prestirati, che agiscono come muscoli per deformare le geometrie conferendo nuove funzionalità. La stampante Voron 2.4 viene assemblata in primo luogo, vengono poi eseguite calibrazioni specifiche per impostare i migliori parametri da utilizzare in questo lavoro. Il PLA, il materiale di stampa 3D più utilizzato dalla tecnologia FDM, è accoppiato con tessuti in Lycra, un tessuto morbido utilizzato principalmente per indumenti. La rigidità del PLA consente una deformazione controllata degli oggetti e vengono analizzati diversi modelli per comprendere meglio l'effetto di elementi più semplici. Partendo dallo studio di una semplice trave deformata sotto un parametro di allungamento fisso. Per simulare il comportamento meccanico dei tessuti è stato scelto il modello iperelastico di Arruda-Boyce. Dalla semplice geometria della trave, viene quindi testata una serie di geometrie per comprendere come l'orientamento delle travi e i cambiamenti nella geometria influiscono sulla forma finale degli oggetti. Gli elementi esagonali e circolari mostrano deformazioni più elevate durante le prove uniassiali e biassiali. Questo può essere un vantaggio in termini di nuove possibilità di progettazione, ma potrebbe essere difficile rendere funzionali queste forme. D'altro canto, le sezioni quadrate e trasversali hanno mostrato un grande potenziale per future applicazioni in campo energetico. Infatti, se accoppiati con materiali piezoelettrici, possono essere messi a punto, modificando i parametri geometrici o il parametro di allungamento, pannelli reattivi agli improvvisi cambiamenti ambientali, come vento o pioggia, che possono trasformarli in generatori dinamici di corrente elettrica.