La struttura in titanio stampata in 3D mostra una forza soprannaturale

Un “metamateriale” stampato in 3D che vanta livelli di resistenza rispetto al peso normalmente non riscontrati in natura o nella produzione potrebbe cambiare il modo in cui realizziamo qualsiasi cosa, dagli impianti medici alle parti di aerei o razzi.

Il responsabile dello studio Jordan Noronha tiene in mano il cubo reticolare di titanio. Credito immagine: Università RMIT

I ricercatori dell’Università RMIT hanno creato il nuovo metamateriale – un termine usato per descrivere un materiale artificiale con proprietà uniche non osservate in natura – dalla comune lega di titanio.

Ma è l'esclusivo design della struttura reticolare del materiale, recentemente rivelato sulla rivista Advanced Materials, a renderlo tutt'altro che comune: i test dimostrano che è il 50% più resistente della lega più resistente di densità simile utilizzata nelle applicazioni aerospaziali.

Migliorare il design della natura

Le strutture reticolari costituite da montanti cavi sono state originariamente ispirate dalla natura: piante robuste a stelo cavo come la ninfea Victoria o il resistente corallo a canne d'organo (Tubipora musica) ci hanno mostrato come combinare leggerezza e resistenza.

Tuttavia, come spiega l'illustre professore Ma Qian dell'RMIT, decenni di tentativi di replicare queste "strutture cellulari" cave nei metalli sono stati frustrati dai problemi comuni di producibilità e dallo stress di carico concentrato sulle aree interne dei montanti cavi, portando a guasti prematuri.

"Idealmente, lo stress in tutti i materiali cellulari complessi dovrebbe essere distribuito uniformemente", ha spiegato Qian.

"Tuttavia, per la maggior parte delle topologie, è normale che meno della metà del materiale sopporti principalmente il carico di compressione, mentre il volume maggiore del materiale è strutturalmente insignificante."

La stampa 3D in metallo fornisce soluzioni innovative senza precedenti a questi problemi.

Spingendo il design della stampa 3D ai suoi limiti, il team RMIT ha ottimizzato un nuovo tipo di struttura reticolare per distribuire lo stress in modo più uniforme, migliorandone la resistenza o l’efficienza strutturale.

"Abbiamo progettato una struttura reticolare tubolare cava che ha una sottile fascia che corre al suo interno. Questi due elementi insieme mostrano forza e leggerezza mai visti prima insieme in natura", ha detto Qian.

"Unendo in modo efficace due strutture reticolari complementari per distribuire uniformemente lo stress, evitiamo i punti deboli in cui normalmente si concentra lo stress."

Forza alimentata dal laser

Il team ha stampato questo disegno in 3D presso l’Advanced Manufacturing Precinct di RMIT utilizzando un processo chiamato fusione laser a letto di polvere, in cui strati di polvere metallica vengono fusi in posizione utilizzando un raggio laser ad alta potenza.

I test hanno dimostrato che il disegno stampato – un cubo reticolare di titanio – era più resistente del 50% rispetto alla lega di magnesio fuso WE54, la lega più resistente con densità simile utilizzata nelle applicazioni aerospaziali. La nuova struttura aveva effettivamente dimezzato la quantità di stress concentrato sui famigerati punti deboli del reticolo.

Il design a doppio reticolo fa sì che eventuali crepe vengano deviate lungo la struttura, migliorandone ulteriormente la robustezza.

L'autore principale dello studio e candidato al dottorato RMIT Jordan Noronha ha affermato che potrebbero realizzare questa struttura su una scala di diversi millimetri o diversi metri utilizzando diversi tipi di stampanti.

Questa stampabilità, insieme alla robustezza, biocompatibilità, corrosione e resistenza al calore, lo rendono un candidato promettente per molte applicazioni, dai dispositivi medici come gli impianti ossei alle parti di aerei o razzi.

"Rispetto alla lega di magnesio fusa più resistente disponibile attualmente utilizzata in applicazioni commerciali che richiedono elevata resistenza e leggerezza, il nostro metamateriale di titanio con una densità comparabile ha dimostrato di essere molto più resistente o meno suscettibile al cambiamento di forma permanente sotto carico di compressione, per non dire più fattibile produzione", ha detto Noronha.

Il team prevede di perfezionare ulteriormente il materiale per la massima efficienza ed esplorare applicazioni in ambienti a temperatura più elevata.

Sebbene attualmente sia resistente a temperature fino a 350 gradi, ritengono che potrebbe essere realizzato per resistere a temperature fino a 600 gradi utilizzando leghe di titanio più resistenti al calore, per applicazioni nei droni aerospaziali o antincendio.

Poiché la tecnologia per produrre questo nuovo materiale non è ancora ampiamente disponibile, la sua adozione da parte dell’industria potrebbe richiedere del tempo.

"I processi di produzione tradizionali non sono pratici per la fabbricazione di questi intricati metamateriali metallici, e non tutti hanno una macchina per la fusione laser a letto di polvere nel proprio magazzino", ha affermato.

“Tuttavia, man mano che la tecnologia si sviluppa, diventerà più accessibile e il processo di stampa diventerà molto più veloce, consentendo a un pubblico più vasto di implementare i nostri metamateriali multi-topologia ad alta resistenza nei loro componenti. È importante sottolineare che la stampa 3D in metallo consente una facile fabbricazione di forme nette per applicazioni reali."

Il direttore tecnico dell'Advanced Manufacturing Precinct di RMIT, l'illustre professore Milan Brandt, ha affermato che il team ha accolto con favore le aziende che desiderano collaborare sulle numerose potenziali applicazioni.

"Il nostro approccio è identificare le sfide e creare opportunità attraverso la progettazione collaborativa, lo scambio di conoscenze, l'apprendimento basato sul lavoro, la risoluzione di problemi critici e la traduzione della ricerca", ha affermato.