Un metamateriale per stampare in 3D parti di aerei e razzi

La natura è una fonte di ispirazione per molti ricercatori, che si ispirano al comportamento di piante e animali per ideare nuovi concetti e materiali. È il caso di questo team della RMIT (Royal Melbourne Institute of Technology) University, che ha sviluppato un metamateriale stampato in 3D con una struttura reticolare che ricorda la forza del corallo Tubipora Musica, noto anche come corallo “a canna d’organo”. Questo sarebbe particolarmente utile nell’industria aerospaziale, soprattutto per produrre parti di aerei e razzi più resistenti e leggeri.

Il metamateriale stampato in 3D è stato prodotto presso il Distretto di Produzione avanzata dell’RMIT a partire da una lega di titanio utilizzando il processo di stampa 3D LPBF (Laser Powder Bed Fusion), il che non rappresenta una novità in sé. Piuttosto, il materiale deve la sua natura innovativa al fatto di essere un materiale artificiale con proprietà uniche che non esistono in natura. Il metamateriale, che consiste in un reticolo di cubi di titanio, ha un rapporto forza-peso che non esiste in natura, combinando leggerezza e resistenza. La particolarità della struttura è che è più resistente del 50% rispetto alla lega di magnesio fuso di nuova generazione WE54, che ha una densità simile e viene utilizzata nell’industria aerospaziale. Grazie alla nuova struttura, i punti deboli del cubo sono sottoposti a sollecitazioni dimezzate e le eventuali crepe che potrebbero comparire vengono deviate lungo la struttura. Il risultato è una struttura più robusta, potenzialmente utilizzabile nella produzione di parti di aerei e razzi, nonché di dispositivi medici come gli impianti ossei, grazie soprattutto alla sua biocompatibilità e alla resistenza alla corrosione e al calore.

Concentrazione delle sollecitazioni in rosso e giallo sulla griglia (sinistra), mentre (a destra) la nuova struttura della griglia distribuisce le sollecitazioni in modo più uniforme.

Verso un metamateriale più stabile?

Tuttavia, secondo Ma Qian, professore all’RMIT, i tentativi di riprodurre “strutture cellulari” cave nei metalli, che vanno avanti da decenni, sono falliti a causa di problemi di producibilità e di concentrazione delle sollecitazioni sulle parti interne dei distanziatori cavi, con conseguenti cedimenti prematuri. Secondo Qian, idealmente, le sollecitazioni dovrebbero essere distribuite uniformemente nei materiali cellulari complessi. Tuttavia, nella maggior parte delle topologie, è comune che meno della metà del materiale sopporti il carico di compressione, mentre la maggior parte del materiale è strutturalmente insignificante. L’uso della produzione additiva ha permesso di superare queste limitazioni e di distribuire meglio il carico, aumentando al contempo la resistenza. “Abbiamo progettato una struttura tubolare cava a griglia all’interno della quale è presente una lastra sottile. Questi due elementi combinati mostrano una forza e una leggerezza che non sono mai state viste insieme in natura“, spiega Qian. “Combinando efficacemente due strutture reticolari complementari per distribuire uniformemente la tensione, abbiamo evitato i punti deboli in cui normalmente si concentra la tensione“.

L’autore principale dello studio e dottorando dell’RMIT Jordan Noronha ha aggiunto: “Rispetto alla lega di magnesio fusa più resistente attualmente disponibile nelle applicazioni commerciali e che richiede un’alta resistenza con un peso ridotto, il nostro metamateriale in titanio di densità comparabile ha dimostrato di essere molto più forte o meno suscettibile di deformazioni permanenti sotto pressione, per non parlare della facilità di produzione“.

La nuova struttura può essere prodotta in dimensioni di alcuni millimetri o metri, utilizzando diversi tipi di stampanti. Inoltre, il team di ricerca spera di poter utilizzare il materiale in ambienti a temperature più elevate, in futuro. L’adozione da parte dell’industria, tuttavia, potrebbe richiedere ancora del tempo, poiché la tecnologia utilizzata per produrre il nuovo materiale non è ancora disponibile al grande pubblico. Per ulteriori informazioni: QUI.

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*Crediti per tutte le foto: Università RMIT