Le strutture reticolari nella stampa 3D

Nei componenti automobilistici, negli impianti medici, nelle scarpe da corsa o negli zaini da trekking, vediamo sempre più parti stampate in 3D con strutture reticolari o motivi a nido d’ape. Si potrebbe pensare che queste strutture reticolari siano l’ultima innovazione della stampa 3D e della progettazione per la produzione additiva (DfAM). In realtà, si tratta di strutture ispirate alle geometrie presenti in natura che vengono usate per migliorare le attività e le tecnologie umane. Si pensi ai nidi d’ape, ai fiocchi di neve, alle spugne, ma anche ai motivi usati nelle recinzioni o persino nella Torre Eiffel.

Le strutture reticolari o strutture a reticolo, conosciute in inglese come lattice structure, consistono in una rete di nodi reticolari intercollegati tra loro tramite schemi (detti celle), che si ripetono o variano continuamente, offrendo numerosi vantaggi in termini di proprietà dei pezzi o di produzione. Raramente si possono incontrare dei reticoli creati con le tecniche di manifattura sottrattiva, poiché questi processi non sono in grado di produrre efficientemente geometrie così intricate e complesse. È qui che risiede la forza della produzione additiva, che rende le strutture reticolari e la stampa 3D un binomio perfetto.

Strutture reticolari stampate in 3D (Crediti fotografici: Sculpteo)

Prima di parlare di strutture a reticolo stampate in 3D, esaminiamo i tipi di reticoli esistenti. Teoricamente, i reticoli si formano collegando nodi mediante segmenti. A seconda della disposizione dei segmenti e dei nodi, possono essere create delle strutture reticolari regolari o irregolari, conosciute anche con il nome di mesh. Modificando la densità dei segmenti, la geometria e le dimensioni delle celle è possibile regolare proprietà come l’elasticità o la rigidità di un pezzo. Esiste un’ampia varietà di mesh e numerosi sono gli studi per svilupparne sempre di nuove, diversificate e performanti. Tuttavia, le strutture reticolari più comuni possono essere suddivise in alcune categorie:

• Reticolo planare: queste maglie si compongono di una struttura bidimensionale piatta che forma una parte tridimensionale. Poiché gli strati vengono stampati singolarmente, può essere necessario assemblarli tra loro. Questo tipo di reticolo comprende strutture tetraedriche, partizioni di Voronoi, reticoli rombici e reticoli esagonali (come ad esempio il nido d’ape).
• Reticolo a montanti: questi reticoli sono composti da segmenti connessi tra loro, che formano una rete collegando nodi, angoli o bordi delle celle. Durante la stampa, gli strati si sovrappongono e si incastrano tra loro, creando una struttura continua. In alcuni casi, può essere necessario rinforzare il reticolo utilizzando materiali di supporto.
• Reticoli TPMS (Triply Periodic Minimal Surface, tradotte in italiano come superfici minime periodiche triplicate): queste maglie si fondano su un’equazione trigonometrica che determina la struttura della cella. La forma di base della maglia può variare.
  

  La varietà di strutture reticolari che possono essere stampate in 3D è molto ampia. (Crediti fotografici: Shenzhen JR Technologies)

Le strutture reticolari possono essere classificate come periodiche o stocastiche. Si definiscono reticoli periodici quelli che mantengono uno schema uniforme in tutta la struttura, mentre i reticoli stocastici sono quelli che presentano variazioni nella forma, nella dimensione e nella disposizione delle celle. Queste variazioni servono per rafforzare la struttura in determinate direzioni.

La scelta della struttura a reticolo dipende dallo scopo finale per il quale quella parte dovrà essere utilizzata. La progettazione tiene conto della geometria e delle dimensioni appropriate, nonché della rigidità desiderata. Si prende in considerazione anche l’analisi di Buckling, ovvero lo studio delle modalità con cui la struttura si deforma sotto carichi di compressione, identificando le direzioni e le condizioni in cui si verifica l’instabilità. Inoltre, si valuta anche se e quanta energia il reticolo possa subire in caso di deformazione.

Progettazione e stampa 3D delle strutture reticolari

Per creare strutture a reticolo per la stampa 3D è necessario servirsi di uno strumento di progettazione specializzato. Sebbene alcuni software di modellazione offrano funzioni di base per la creazione dei reticoli, i software specifici per l’ottimizzazione topologica o per il design generativo sono più affidabili. Il design generativo elabora un progetto ottimale tenendo conto delle proprietà della parte da stampare e del metodo di stampa scelto. Nel caso siano previste strutture reticolari, il sistema calcola anche la forma delle celle, la loro densità e la disposizione nello spazio.

Con HyDesign di Hyperganic è possibile progettare delle strutture reticolari. (crediti foto: Hyperganic)

Sono disponibili numerosi software per ottimizzare topologicamente i modelli 3D e creare strutture reticolari, tra cui Autodesk Within, nTop di nTopology, Meshify, 4D_Additive di Core Technologie, Netfabb o HyDesign di Hyperganic. La scelta del design dipenderà dall’applicazione, dal materiale e dalla tecnologia di stampa.

Le strutture reticolari sono molto più facili da realizzare con la stampa 3D perché sono spesso molto complesse e delicate. Inoltre, si impiega meno tempo a stampare delle strutture reticolari piuttosto che quelle solide. In teoria, è possibile utilizzare un’ampia gamma di materiali e tecnologie di stampa per poterle ricreare, ma ciascun processo ha le sue specificità:

• Nella stampa FDM e SLA è necessario ricorrere a delle strutture di supporto nella stampa per creare strutture reticolari di grandi dimensioni.
• Con le tecnologie basate sul principio della fusione a letto di polvere, come SLS o MJF, è fondamentale progettare punti di accesso adeguati per garantire una rimozione ottimale della polvere residua.
• Nella tecnologia DMLS è necessario integrare supporti nel modello di stampa per evitare problemi legati ai ponti non supportati, che non devono superare i 2 mm di lunghezza.

Di solito si tiene conto di queste particolarità già in fase di progettazione.

Le proprietà che si desidera ottenere da ciascun pezzo e le sue applicazioni vengono integrate già nella fase di progettazione della struttura reticolare. (Crediti fotografici: nTopology)

Sfide e vantaggi delle strutture reticoli

Le sfide principali che si possono incontrare nella creazione di strutture reticolari con la stampa 3D riguardano l’orientamento delle celle, la distanza dei fasci e degli angoli rispetto alla piattaforma di stampa. La mesh deve essere conforme alle specifiche richieste della parte finale e progettata in modo da garantirne la producibilità. Inoltre, i file digitali delle strutture a reticolo possono essere molto pesanti (oltre 1 GB) e richiedere molta potenza di calcolo per le simulazioni.

Tuttavia, i vantaggi sono molteplici:

• Risparmio di materiali: le strutture reticolari consentono di produrre parti più leggere, riducendo i costi e migliorando le prestazioni, in particolare nel campo delle strutture edili leggere.
• Maggiore qualità: le strutture reticolari migliorano l’assorbimento degli urti, aumentano la flessibilità o, al contrario, rinforzano la rigidità dei prodotti, rendendoli più durevoli.
• Applicazioni specifiche: le strutture reticolari aumentano la superficie di scambio termico negli scambiatori di calore e stimolano la crescita ossea negli impianti medici.

Toucan Beak, uno scambiatore di calore stampato in 3D con strutture reticolari al suo interno. (Crediti fotografici: Aidro)

Applicazioni dei reticoli stampati in 3D

Passiamo ora ad alcuni campi applicativi in ​​cui le strutture a reticoli stampate in 3D dimostrano il loro potenziale. In campo medico, le strutture reticolari vengono utilizzate non solo per gli impianti, come detto sopra, ma anche per protesi e ortesi per ottimizzarne peso, resistenza o comfort.

Le strutture reticolari sono particolarmente vantaggiose nelle applicazioni in cui sono essenziali elevate prestazioni e leggerezza, come nei settori automobilistico e aerospaziale. Ad esempio, utilizzando la funzionalità “Shell & Lattice” di nTop, Aerojet Rocketdyne è riuscita a ridurre del 67% il peso di un blocco motore quadruplo e ad abbassarne i costi di produzione del 66%.

Blocco motore Aerojet Rocketdyne per le quali sono state utilizzate delle strutture reticolari per ridurne il peso (Crediti fotografici: nTopology)

Ma le strutture reticolari stanno guadagnando importanza e popolarità anche nel settore dello sport e dei beni di consumo. Stiamo assistendo a un aumento delle protezioni e delle imbottiture stampate in 3D che si servono di queste particolari geometrie. Questi reticoli si trovano nei sellini delle biciclette, nelle imbottiture dei caschi, negli indumenti protettivi, ecc., nonché nelle suole delle scarpe. Soprattutto per le scarpe da running le strutture reticolari vengono scelte perchè permettono una migliore trasmissione dell’energia e un aumento delle prestazioni.

Questa logica si applica anche ai sedili delle auto o agli zaini. Ad esempio, lo specialista di attrezzature per l’outdoor Oechsler ha utilizzato Magics di Materialise per migliorare i suoi innovativi zaini dotati di strutture reticolari e renderli così più confortevoli. Ma non solo, sono stati costruiti additittura anche dei mobili servendosi di strutture reticolari, anche se, in questo caso, forse più per una questione estetica che per rendere il mobile più leggero.

Questi esempi dimostrano come le strutture reticolari siano già ampiamente utilizzate in diverse applicazioni. Con il progredire dell’industrializzazione della stampa 3D e l’evoluzione costante delle possibilità progettuali è probabile che non solo si continui a impiegare queste geometrie, ma che vengano adoperate in maniera ancora più significativa nel prossimo futuro.

Le strutture a reticolo permettono l’assorbimento degli urti e migliorano il comfort (Crediti fotografici: Oechsler)

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*Crediti per la foto di copertina : Dassault Systèmes