La CityU di Hong Kong ha inventato nuovi inchiostri ceramici e ha sviluppato la prima stampa 4D al mondo per la ceramica, combinando la stampa 3D, l’assemblaggio auto modellante e la ceramica derivata da elastomeri.
Un nuovo capitolo della costruzione di strutture ceramiche con geometrie flessibili e meccanicamente robuste è stato avviato dalla City University di Hong Kong e potrebbe avere un grande impatto nel campo della biomedicina, dell’esplorazione spaziale, dei motori aeronautici, delle attrezzature militari e dei sistemi micro-elettro-meccanici. Gli origami stampati dal gruppo del Prof. Jiang Lu sono fabbricati con un processo chiamato stampa in quattro dimensioni (4D).
Un oggetto stampato in 4D si riferisce ad un oggetto che è stato prodotto utilizzando una tecnologia di stampa 3D ma che è in grado di trasformarsi nel tempo grazie alle proprietà intrinseche del materiale di cui è composto. La ceramica di derivazione polimerica (PDC), preparata mediante termolisi dei precursori ceramici polimerici, mantiene le proprietà della ceramica convenzionale come l’elevata stabilità termica, la resistenza chimica all’ossidazione e alla corrosione, oltre alla resistenza meccanica alle forze superficiali. Le microstrutture e le proprietà dei PDC possono essere regolate attraverso sistemi polimerici e condizioni di termolisi pensati su misura.
Come si ottiene la quarta dimensione?
L’invenzione, presentata nell’articolo pubblicato sulle pagine di Science Advances e protetta dal brevetto codice US10377076B2, descrive il processo di stampa 4D. L’oggetto è creato grazie all’estrusione di inchiostri attraverso un ugello depositati su una piastra riscaldante, la quale compatta il materiale creando una preforma in 3D. Successivamente, l’elastomero stampato in 3D viene piegato in una struttura complessa per formare un oggetto elastomerico prestampato in 4D e convertito nel prodotto finale in ceramica stampato in 4D.
Composizione degli inchiostri
Un elemento costituente dell’inchiostro sono nanoparticelle di ossido inorganico, formate da metalli quali zirconio, calcio, alluminio, titanio, indio, zinco e silicio. In alternativa possono essere utilizzate particelle formate da nitruro di alluminio, silicato di calcio, carburo di silicio, particelle polimeriche, particelle metalliche, particelle di carbone amorfo, particelle di grafene e particelle di grafite. I precursori della ceramica polimerica nell’inchiostro comprendono almeno uno dei seguenti composti: poli dimetilsilossano, poli silossani, poli carbosilossani, poli carbosilani, polisil carbodiimmidi, polisil carbodiimmidi, polisil azani e polisil sesquiazani. La temperatura della piastra riscaldante può variare tra 30°C-400°C, la piegatura dell’oggetto è realizzata con fili metallici, infine la trasformazione polimero-ceramica avviene per pirolisi sotto vuoto o in atmosfera inerte con una temperatura di riscaldamento che va da 400 a 2000°C.
Fin dove si può osare
Come dimostrazione delle potenzialità di questo metodo, sono stati stampati origami ceramici con curvature complesse a partire da cuboidi o precursori stampati in 3D, ottenendo forme che imitano una farfalla, l’Opera House di Sydney, una rosa e un abito.
Gli schemi geometrici ripetitivi che si ripetono localmente nel reticolo dell’oggetto migliorano la flessibilità delle strutture finali e permettono di gestire con accuratezza l’eventuale presenza di punti specifici di rigidità strutturale.
L’invenzione appena descritta offre diversi vantaggi, tra i più importanti la possibilità di creare oggetti con un’elevata complessità geometrica, con un’elevata robustezza meccanica, circa 10 volte superiore alla tradizionale plastica a base di silice, inoltre viene dimostrata la relazione tra forza e aumento di dimensioni, il che significa che le tecniche e i materiali possono essere testati nella produzione su scala industriale. I materiali e le tecniche utilizzate si basano su sistemi disponibili in commercio, quindi possono essere sviluppati in breve tempo ed avere un impatto immediato sul mercato del settore.