Una dimensione completamente nuova per la stampa 3D

I fogli di origami autopieganti creano forme 3D in modo rapido, economico ed efficiente usando il tempo, che spesso si dice sia la 4a dimensione

La stampa 3D di oggetti complessi richiede in genere molto tempo a causa del suo processo che prevede necessariamente un gran numero di strati 2D per costruire l'oggetto. Il processo di solito spreca molto materiale necessario per supportare l'oggetto non finito. Esistono alcuni nuovi modi per piegare i materiali piatti in forme 3D, ma presentano delle carenze. Per la prima volta, i ricercatori hanno combinato stampa 2D, origami e chimica per creare un metodo di fabbricazione rapida di oggetti 3D senza creare materiale di scarto. Queste forme si piegano da sole in pochi secondi.

Per qualche tempo, la stampa 3D è stata utilizzata per prototipare prodotti e ora sta vedendo un maggiore utilizzo nella fabbricazione di articoli commerciali, comprese anche parti per motori a reazione. Ma ogni metodo di fabbricazione 3D presenta dei limiti, come il lungo tempo necessario per completare le stampe o lo spreco di materiali vestigiali nella stampa. La stampa 4D è un concetto che mira a mitigare questi problemi utilizzando una quantità minima di materiali, selezionati per avere determinate proprietà speciali, consentendo loro di piegarsi da soli in forme 3D complesse nelle giuste condizioni. Si chiama stampa 4D, poiché il processo di auto-piegatura fa necessariamente uso del tempo, che spesso si dice sia la 4a dimensione. Ironia della sorte, un nuovo metodo di stampa 4D rapida inizia nel regno 2D.

Nell'ambito di questo studio, pubblicato da ACM Transactions on Graphics (1), il dottor Koya Narumi (2), professore assistente al progetto, del Dipartimento di ingegneria elettrica e sistemi informativi dell'University of Tokyo, dice: «Io e il mio team abbiamo scoperto come utilizzare strumenti e materiali accessibili per creare oggetti 4D auto-piegabili. Essenzialmente, stiamo creando fogli piani con motivi di origami su di essi, e questi motivi possono essere complessi, e anche un abile artista di origami può impiegare ore per formarsi. Ma grazie al nostro processo speciale, puoi versare acqua calda su queste lenzuola piatte e guardarle mentre si trasformano in complesse forme 3D in pochi secondi».

La tecnica utilizza un tipo speciale di stampante a getto d'inchiostro realizzata per la stampa con materiali reattivi ai raggi UV: sebbene la macchina stessa possa costare decine di migliaia di dollari, si trovano spesso all'interno di comunità di produttori e laboratori condivisi. Questa stampante stampa un disegno origami 2D su entrambi i lati di un foglio di plastica che si restringe con il calore. L'inchiostro che utilizza non si restringe e può rimanere flessibile una volta asciutto. Poiché il foglio di base si restringe quando riscaldato e l'inchiostro resiste al restringimento, lasciando degli spazi tra le sezioni di inchiostro su un lato o sull'altro, il disegnatore può controllare in che modo una certa sezione del foglio si piega. L'acqua calda viene utilizzata per applicare il calore attraverso il foglio piatto in modo che si pieghi spontaneamente in un'intricata costruzione di origami.

«La nostra più grande sfida è stata perfezionare le opzioni per hardware e materiali, che ha richiesto più di un anno per restringere il campo alle scelte finali», ha affermato il professor Narumi. «Ma tutti i tentativi e gli errori ne sono valsi la pena; rispetto alla ricerca precedente attorno a questa stessa idea di base, abbiamo migliorato la risoluzione di output di 1.200 volte, il che significa che i progetti che possiamo creare non sono solo novità, ma possono essere utilizzati per applicazioni reali. In futuro, potremmo esplorare materiali funzionali, come inchiostri conduttivi o magnetici, che potrebbero consentire macchine e altri dispositivi funzionali».

Il dottor Narumi e il team sperano che questa innovazione possa trovare impiego in vari campi come la moda, dove lo spreco di materiale è spesso elevato, specialmente nelle aree in cui sono ricercati design su misura. Ma dato che le forme pre-piegate sono completamente piatte, c'è anche spazio per essere utile in qualsiasi situazione in cui vi siano problemi logistici o di stoccaggio stretti. I disegni stampati potrebbero anche essere pubblicati e il destinatario potrebbe quindi riscaldarli per trasformarli nell'oggetto ordinato. E potrebbe esserci anche un uso nell'area del ripristino di emergenza, dove alcuni articoli, possibilmente inclusi articoli medici, sono necessari ma sono spesso difficili da trasportare, e diventa molto più facile quando gli articoli richiesti sono essenzialmente piatti.

Questa ricerca è stata parzialmente supportata da JST ACT-I, Grant Number JPMJPR18UN; Value Exchange Engineering, un progetto di ricerca congiunto tra Mercari, Inc e RIISE; e JST AdCORP, numero di concessione JPMJKB2302.

L'University of Tokyo è la principale università del Giappone e una delle migliori università di ricerca del mondo. La vasta produzione di ricerca di circa 6.000 ricercatori è pubblicata nelle migliori riviste del mondo nelle arti e nelle scienze. Il nostro vivace corpo studentesco di circa 15.000 studenti universitari e 15.000 laureati comprende oltre 4.000 studenti internazionali.

Riferimenti:

(1) ACM Transactions on Graphics

(2) Koya Narumi

Descrizione foto: Il software creato dal team si basa su un importante algoritmo nel campo degli origami. Può scomporre un oggetto di input 3D e produrre un modello 2D. Questo processo richiederebbe a un artista umano tempo, pazienza e molte prove ed errori. Questo algoritmo è ciò che per primo ha ispirato il team a esplorare l'idea di una rapida fabbricazione 4D ed è fondamentale per il processo. - Credit: Narumi et al. CC-BY-ND.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: A whole new dimension for 3D printing Self-folding origami sheets create 3D shapes quickly, cheaply and efficiently