Progettazione di una Struttura con Forma Adattabile Stampata in 3D con Giunti Autobloccanti Attivati Attraverso una Forza Magnetica

Abstract

I meta-biomateriali sono una nuova classe di materiali con un particolare insieme di proprietà che difficilmente possiamo osservare in materiali convenzionali, sia naturali che sintetici. Sono studiati per essere utilizzati in campo biomedico come impianti ortopedici o per il trattamento di grandi difetti ossei. Dunque, i materiali con cui vengono realizzati sono biocompatibili, mentre le per la produzione si usano tecniche di prototipazione rapida (stampa 3D) per via delle loro dimensioni e geometrie insolite. Queste strutture esistenti si basano sui concetti di dispiegabilità e mutamento di forma, per cui possono cambiare forma o configurazione grazie ad uno stimolo meccanico. In alcuni casi, possono raggiungere una configurazione stabile e predefinita e mantenerla in modo permanente grazie a specifici vincoli geometrici o cinematici interni alla struttura, che vengono attivati attraverso un processo di bloccaggio. In questo studio, ci siamo concentrati sui giunti cinematici e sono stati esplorati diversi design per la cella unitaria. Per il primo progetto, il bloccaggio della forma è garantito da un componente ferromagnetico traslante all'interno della cella unitaria, il quale presenta una forma specifica che consente di bloccare tutti i giunti contemporaneamente quando viene attivato da una forza magnetica esterna. Infatti, il campo magnetico è caratterizzato da controllo remoto, risposta veloce e senza calore, ma richiede anche materiali ferromagnetici per funzionare correttamente. Per il secondo progetto, la struttura è dotata di canali interni in cui viene iniettata una resina liquida fotosensibile che viene poi polimerizzata durante la fase di bloccaggio per fissare la forma dell'intera struttura.

Meta-biomaterials are a new class of materials with a particular set of properties that we can hardly see in natural counterparts and in synthetic conventional materials. They are studied to be used in the biomedical field as orthopaedic implants or for the treatment of large bony defects. Thus, they are made of biocompatible materials and realized by additive manufacturing (AM, 3D printing) techniques because of their unusual geometries and dimensions. These existing structures are based on the concepts of deployability and shape-morphing, so they can change shape or configuration thanks to a mechanical stimulus. In some cases, they can reach a stable and pre-defined configuration and keep it permanently, because of specific internal geometrical or kinematic constraints of the structure that are activated through a locking process. In this study, we focused on kinematic joints and different designs have been explored for the unit-cell. For the first project, the shape-locking behaviour is guaranteed by a ferromagnetic translating component inside the unit-cell with a specific design that allows to lock all the joints when activated by an external magnetic force. In fact, the magnetic field is characterized by remote control, fast and heatless response in the structure, but it also requires ferromagnetic materials to work properly. For the second project, the structure has internal canals into which a liquid photosensitive resin is injected and then cured during the locking phase, to freeze the shape of the entire structure.