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Nitruro di silicio: la ceramica ad alte prestazioni per condizioni estreme, dal corpo umano allo spazio

Pubblicato il 17 Aprile 2024 da Nunzia A.

Più in alto, più lontano, più veloce: queste non sono solo le richieste poste alla società moderna, ma anche alla scienza, alle industrie, alle applicazioni e alla tecnologia. Che si tratti del settore automobilistico, aerospaziale o medicale, l’obiettivo generale è quello di superare i limiti, ampliare le possibilità esistenti e aumentare l’efficienza. Ma per servire questi campi, sono necessari materiali ad alte prestazioni che soddisfino i requisiti di queste applicazioni e le prestazioni sono ancora principalmente associate ai metalli. Tuttavia, quando si tratta di ambienti difficili e impegnativi, i metalli raggiungono rapidamente i loro limiti naturali, rendendo necessari materiali alternativi. Grazie alle loro proprietà potenti e uniche, le ceramiche sono molto adatte come alternativa. Le ceramiche ad alte prestazioni hanno proprietà eccezionali per l’uso in condizioni difficili e, in combinazione con la produzione additiva, aprono una vasta gamma di possibili applicazioni in ambienti estremi, dal corpo umano all’industria e allo spazio. Una di queste ceramiche ad alte prestazioni è il nitruro di silicio, le cui applicazioni saranno analizzate in dettaglio per illustrare il potenziale dei materiali ceramici.

Innanzitutto, è importante capire perché la ceramica viene utilizzata per le applicazioni ad alte prestazioni, ovvero per le sue eccellenti proprietà materiali. Le ceramiche sono molto dure e presentano una notevole resistenza all’abrasione e al calore. Offrono un’elevata stabilità meccanica e dimensionale, anche a temperature molto elevate. Queste caratteristiche ne fanno un materiale molto efficiente che mostra i suoi vantaggi laddove altri materiali falliscono.

silicon nitride

Inoltre, sono richiesti materiali innovativi con un’ampia gamma di applicazioni e un’elevata durata, soprattutto in settori che si sviluppano sempre più rapidamente grazie alla ricerca. Per questo motivo, la ceramica attira sempre più l’attenzione degli ingegneri di questi settori. Tuttavia, è necessaria una certa tecnica per lavorare le ceramiche ad alte prestazioni e sfruttare appieno le loro notevoli proprietà. La produzione additiva combina le innovative proprietà dei materiali ceramici e un livello di libertà di progettazione finora irraggiungibile, in modo che i pezzi prodotti eccellano in condizioni estreme.

Detto questo, le ceramiche ad alte prestazioni non possono essere lavorate con un qualsiasi processo di stampa 3D. Lithoz si è affermata come pioniere nella stampa 3D di ceramica. Il processo LCM dell’azienda offre una soluzione particolarmente promettente per le ceramiche ad alte prestazioni.

La tecnologia LCM è in grado di produrre parti in ceramica geometricamente complesse con densità e precisione complete. Questi pezzi finali sono più resistenti di quelli in metallo e hanno una durata maggiore. Vale la pena ricordare che la produzione può essere scalata con la tecnologia LCM e Lithoz è riuscita a raggiungere questo livello di produzione di massa.

L’avanzamento della tecnologia e il superamento dei limiti del possibile sono uno dei principi dell’azienda: “Fin dalla nostra fondazione, Lithoz è stata caratterizzata da una promessa centrale: fornire sempre la migliore qualità possibile per la stampa 3D di ceramica e spingere continuamente i limiti dello sviluppo della ceramica come partner attivo dei nostri clienti. Alla base di questa promessa ci sono i nostri valori, che sono diventati il DNA di Lithoz nel corso della nostra storia“, si legge sul sito web di Lithoz.

Oltre alla tecnologia LCM e ai suoi sistemi di stampa, Lithoz si è fatta conoscere anche per il suo ampio portafoglio di materiali. Questa gamma di materiali innovativi e ad alte prestazioni consente all’azienda di soddisfare i requisiti di varie industrie e di far progredire ulteriormente l’uso della ceramica in una varietà di settori. A tal fine, Lithoz collabora anche con diversi partner e istituti di ricerca.

L’esperienza di Lithoz nella stampa 3D di ceramica supporta ogni aspetto dello sviluppo di ceramiche ad alte prestazioni e offre soluzioni intersettoriali per lo sviluppo di nuovi prodotti e processi produttivi. – Professor Alexander Michaelis, Istituto Fraunhofer per le tecnologie e i sistemi ceramici IKTS.

Quando si parla di industrie con condizioni estreme, un materiale in particolare spicca nella gamma Lithoz: il nitruro di silicio. Il nitruro di silicio è un materiale ceramico ad alte prestazioni che Lithoz commercializza con il nome LithaNit 782. LithaNit 782 è un impasto a base di ceramica beta-SiAION e si caratterizza per la sua durata e resistenza alle temperature e agli agenti chimici.

Questo materiale forte e tenace è termicamente resistente a temperature molto elevate e alla corrosione di acidi e alcali. Ciò rende il LithaNit 782 interessante per un’ampia gamma di applicazioni in cui sono richieste queste proprietà. Tra le applicazioni specifiche vi sono isolatori, molle e giranti. Per illustrare appieno la gamma di applicazioni, vale la pena di considerare due applicazioni agli antipodi: i viaggi nello spazio e il corpo umano.

Il materiale degli estremi: come il nitruro di silicio viene utilizzato nei campi aerospaziale e medico

Il nitruro di silicio è un materiale interessante sia per l’aeronautica che per i viaggi spaziali, anche se i suoi vantaggi materiali sono sfruttati soprattutto in quest’ultimo ambito. L’aerospaziale è un settore dinamico, alla ricerca di tecnologie sempre più potenti e innovative. Sebbene i metalli siano i materiali convenzionali utilizzati, possono resistere alle condizioni estreme dello spazio solo in misura limitata e si usurano facilmente. Le ceramiche, invece, resistono meglio alle condizioni termiche estreme e possono sopravvivere a ripetuti shock termici, rendendole più sostenibili a lungo termine e riducendo così la quantità di detriti spaziali.

Oltre a queste proprietà auspicabili del materiale, le parti stampate in 3D in nitruro di silicio possono essere progettate in modo flessibile per garantire il funzionamento ottimale del componente. Ad esempio, un ugello aerospike in nitruro di silicio è stato stampato con la tecnologia LCM. Questo ugello è costituito da un corpo a forma di punta che serve a dirigere il flusso di gas in modo mirato. Ciò consente di regolare passivamente la pressione dell’aria ambiente, ottenendo condizioni ideali per i gas di scarico. Il design del componente stampato non solo rende possibile il funzionamento regolare di queste regolazioni, ma garantisce anche un raffreddamento ottimale all’interno del pezzo. Combinando il nitruro di silicio con la tecnologia LCM, è possibile produrre componenti complessi che soddisfano gli elevati requisiti richiesti dalle applicazioni aerospaziali in termini di complessità, prestazioni ed efficienza.

Una proprietà che finora non è stata menzionata è la biocompatibilità del nitruro di silicio. Sebbene anche in medicina siano necessari materiali forti, tenaci e resistenti al calore, la biocompatibilità è una proprietà indispensabile. Infatti, il nitruro di silicio è caratterizzato da proprietà antibatteriche e osteointegrative, che favoriscono la crescita ossea e aprono numerosi campi di applicazione in medicina. In particolare, le applicazioni in ortopedia e neurochirurgia. La ceramica ad alte prestazioni LithaNit 782 è già stata utilizzata per la produzione di impianti permanenti e strumenti chirurgici. Un altro esempio di utilizzo medico del nitruro di silicio è rappresentato dalle gabbie spinali, utilizzate per il trattamento dell’ernia del disco e per la fusione spinale chirurgica.

Come dimostrano questi esempi applicativi, la ceramica ad alte prestazioni è un materiale che può competere tranquillamente con i metalli e i polimeri ad alte prestazioni in ogni caso e, in alcuni casi, addirittura superarli. Possiamo aspettarci di vedere in futuro sempre più parti di produzione stampate in 3D realizzate in ceramica, come il nitruro di silicio, in campi di applicazione estremi. Lithoz elenca una vasta gamma di esempi specifici di utilizzo del LithaNit 782: QUI.

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* Tutti i crediti fotografici: Lithoz GmbH

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