La struttura a reticolo smorza le vibrazioni

Le vibrazioni del motore di un autobus possono essere trasmesse in modo sgradevole al sedile su cui si è seduti. Negli aerei e negli elicotteri a elica, le vibrazioni dell'elica o del rotore rendono il volo irregolare e rumoroso e possono causare danni da fatica. Gli ingegneri stanno quindi cercando di evitare le vibrazioni nelle macchine, nei veicoli e negli aerei. Una nuova struttura reticolare tridimensionale sviluppata dagli scienziati dell'ETH potrebbe ora ampliare le possibilità di smorzamento delle vibrazioni.

I ricercatori, guidati da Chiara Daraio, professoressa di meccanica e materiali, hanno prodotto la struttura con una griglia distanziata di circa 3,5 millimetri utilizzando la stampa 3D dalla plastica. Hanno inserito nella griglia dei cubi di acciaio, leggermente più piccoli di quelli giocattolo, che fungono da risonatori. "Le vibrazioni non si spostano da un'estremità all'altra della struttura, ma vengono assorbite dai cubi d'acciaio e dalle barre interne della griglia in plastica. L'altra estremità della struttura non si muove", spiega Kathryn Matlack, postdoc del gruppo di Daraio.

Componente stabilizzante simultanea

I materiali per smorzare le vibrazioni esistevano già in passato. Nei veicoli, nelle macchine e negli elettrodomestici, ad esempio, le vibrazioni vengono talvolta assorbite con l'aiuto di materiali speciali, solitamente morbidi. La novità della struttura antivibrazioni realizzata dai ricercatori dell'ETH è che è rigida e può quindi essere utilizzata anche come componente portante, ad esempio nell'ingegneria meccanica o nei rotori degli aerei e nelle eliche degli elicotteri.

Un altro grande vantaggio della nuova struttura è che può assorbire una gamma molto più ampia di vibrazioni, sia veloci che lente, rispetto ai materiali di assorbimento morbido esistenti. La nuova struttura è particolarmente efficace nelle vibrazioni relativamente lente. "Possiamo dimensionare la geometria della struttura per smorzare vibrazioni con oscillazioni da diverse centinaia a diverse decine di migliaia di volte al secondo (Hertz)", spiega l'ETH professor Daraio. "Anche le vibrazioni percepibili dall'orecchio, che causano rumori indesiderati e riducono l'efficienza di macchine e veicoli, rientrano in questo intervallo".

Per turbine eoliche e viaggi nello spazio

In teoria, una costruzione di questo tipo potrebbe anche essere realizzata in alluminio e altri metalli leggeri anziché in plastica, spiega Matlack. In linea di principio, richiederebbe semplicemente una combinazione di materiale reticolare leggero e risonatori incorporati in esso con un'alta densità di massa, mentre la geometria della struttura reticolare e dei risonatori dovrebbe essere adattata in modo ottimale l'uno all'altro per quanto riguarda le vibrazioni previste.

In linea di principio, gli assorbitori di vibrazioni sono pronti per le applicazioni tecniche, afferma Matlack, anche se il fattore limitante è che la tecnologia di stampa 3D è principalmente orientata alle mini-serie e attualmente presenta ancora degli svantaggi rispetto ai metodi di produzione tradizionali in termini di proprietà dei materiali, ad esempio in termini di capacità di carico. Non appena la tecnologia di stampa 3D sarà pronta per l'uso industriale, nulla osta a un'applicazione diffusa. Altri settori di applicazione potrebbero essere i rotori delle turbine eoliche. Ridurre al minimo le vibrazioni aumenterebbe l'efficienza. Sono ipotizzabili anche applicazioni nella costruzione di veicoli, aerei e razzi spaziali.