Additive manufacturing for electrical actuation systems and sensing

Additive Manufacturing (AM) has become a key technology for Industry 4.0 due to its cost-effectiveness, low environmental impact, automation, high-level of freedom in fabrication and customization. Particularly, Material Extrusion (MEX), a widely used AM technology, is gaining tremendous interest for the fabrication of smart structures, that can be self-actuated, self-sense, and self-heal, such as soft actuators, sensors, and stimuli-responsive devices. MEX has been employed for its high level of customization, fitting it to extrude non-conventional materials such as functional inks, conductive polymers, and silicone. MEX is ideal for applications in soft robotics, sensors, and even 3D-printed batteries, allowing for advanced integration of multiple functionalities of the printed structures. In this PhD thesis, MEX technology was used to fabricate several smart structures, such as actuators with embedded sensors, self-healing sensors, and electro- and magnetic-driven structures: a remarkable reduction in fabrication cost, improvement of mechanical and sensing performances, were achieved through innovative fabrication approaches and custom-made 3D printing setups. First, 3D printed actuators and soft robots with embedded sensors and metal filled channels, actuated via electrical current and magnetic field, were investigated, proving the potentiality of one-shot fabrication of ready-to-use smart structures. Mullins effect of the smart actuators was decreased studying the vibration behavior during of the bending movements: a reduction of 16% was achieved incorporating geometrical ribs in the bending area (joint). Afterwards, the joint was studied and implemented to fabricate a multi-material and multi-actuation finger actuated using: i) shape memory polymer (SMP) heated via embedded electrical Nichrome wire, and ii) tendon driven, resulting in complex movements combining both actuation methods. To develop and fabricate innovative smart structures, several 3D printing setups and non-conventional materials were studied: a method to improve the printability of silicone (such as pure or with magnetic nano particles) was discovered, implemented a custom-made IDEX 3D printing setup able to extrude at the same time silicone and thermoplastic polymer in the same printing cycle. This setup leverages the electrical Lorentz force in the silicone extrusion head to: i) reduce the printing force (21.08%) enabling thin walled and accurate structures extrusion, and ii) fabricate self-actuated multi-material structures that can move using external stimuli (such as magnetic field). Moreover, a custom-made setup was implemented for increasing the sensitivity of 3D printed multi-material sensors employing rolling technics and studying ironing printing parameters: the latter increased the sensitivity of the 3D printed sensors of 83%, due to 50% void reduction. A new approach to fabricate self-healing smart structures was also explored: a custom-made 3D printing machine capable of extruding both filament- and ink-based self-healing materials was developed. An innovative Separate Heating System (SHS) was implemented to better control pre-extrusion and extrusion temperatures via PID, resulting in improved mechanical, geometrical, healing (95%), and sensing performance of the 3D printed sensors. Finally, a comprehensive review of MEX 3D printed batteries was presented, highlighting problems, challenges, and advancement in this new field. The literature review envisions the futuristic possibility of one-shot 3D print devices composed of sensors, actuators and batteries, ready to be used after their removal from the 3D printing platform.

La Manifattura Additiva (AM) è diventata una tecnologia fondamentale per l'Industria 4.0 grazie alla sua convenienza economica, basso impatto ambientale, automazione, elevato livello di libertà nella fabbricazione e personalizzazione. In particolare, l'Extrusione di Materiale (MEX), una tecnologia AM ampiamente utilizzata, sta guadagnando un enorme interesse per la realizzazione di strutture intelligenti, che possono essere auto-attuate, auto-sensibili e auto-riparanti, come attuatori morbidi, sensori e dispositivi reattivi agli stimoli. MEX è stato impiegato per il suo alto livello di personalizzazione, adattandosi a estrudere materiali non convenzionali come inchiostri funzionali, polimeri conduttivi e silicone. MEX è ideale per applicazioni in robotica morbida, sensori e anche batterie stampate in 3D, consentendo un'integrazione avanzata di molteplici funzionalità delle strutture stampate. In questa tesi di dottorato, la tecnologia MEX è stata utilizzata per fabbricare diverse strutture intelligenti, come attuatori con sensori integrati, sensori auto-riparanti e strutture elettromagnetiche: sono stati ottenuti notevoli riduzioni nei costi di fabbricazione, miglioramenti delle prestazioni meccaniche e di rilevamento attraverso approcci innovativi di fabbricazione e impianti di stampa 3D personalizzati. In primo luogo, sono stati studiati attuatori stampati in 3D e robot morbidi con sensori integrati e canali riempiti di metallo, attuati tramite corrente elettrica e campo magnetico, dimostrando il potenziale della fabbricazione "one-shot" di strutture intelligenti pronte all'uso. L'effetto Mullins degli attuatori intelligenti è stato ridotto studiando il comportamento in vibrazione durante i movimenti di piegamento: è stata ottenuta una riduzione del 16% incorporando nervature geometriche nell'area di piegatura (giunto). Successivamente, il giunto è stato studiato e implementato per fabbricare un dito multi-materiale e multi-attuazione, attuato tramite: i) polimero a memoria di forma (SMP) riscaldato tramite un filo di Nicromo incorporato, e ii) tendine azionato, risultando in movimenti complessi che combinano entrambi i metodi di attuazione. Per sviluppare e fabbricare strutture intelligenti innovative, sono stati studiati diversi impianti di stampa 3D e materiali non convenzionali: è stato scoperto un metodo per migliorare la stampabilità del silicone (sia puro che con nanoparticelle magnetiche) e implementato un impianto di stampa 3D IDEX personalizzato in grado di estrudere contemporaneamente silicone e polimero termoplastico nello stesso ciclo di stampa. Questo impianto sfrutta la forza elettrica di Lorentz nella testa di estrusione del silicone per: i) ridurre la forza di stampa (21,08%) permettendo l'estrusione di strutture sottili e precise, e ii) fabbricare strutture multi-materiale auto-attuate che possono muoversi utilizzando stimoli esterni (come il campo magnetico). Inoltre, è stato implementato un impianto personalizzato per aumentare la sensibilità dei sensori multi-materiale stampati in 3D impiegando tecniche di rolling e studiando i parametri di stampa dell'ironing: quest'ultimo ha aumentato la sensibilità dei sensori stampati in 3D dell'83%, grazie alla riduzione del 50% dei vuoti. È stato anche esplorato un nuovo approccio per fabbricare strutture intelligenti auto-riparanti: è stata sviluppata una macchina di stampa 3D personalizzata in grado di estrudere sia materiali auto-riparanti a base di filamento che a base di inchiostro. È stato implementato un innovativo Sistema di Riscaldamento Separato (SHS) per controllare meglio le temperature di pre-estrusione ed estrusione tramite PID, migliorando le prestazioni meccaniche, geometriche, di guarigione (95%) e di rilevamento dei sensori stampati in 3D. Infine, è stata presentata una revisione completa delle batterie stampate in 3D con tecnologia MEX, evidenziando i problemi, le sfide e i progressi in questo nuovo campo. La revisione della letteratura prevede la possibilità futuristica di dispositivi stampati in 3D in un'unica fase, composti da sensori, attuatori e batterie, pronti per essere utilizzati dopo la rimozione dalla piattaforma di stampa 3D.