I materiali leggeri più rigidi di sempre
Gli scienziati dell'ETH hanno sviluppato un metodo di costruzione che massimizza la rigidità dei materiali leggeri. Sviluppare un metodo di costruzione ancora più rigido è praticamente impossibile.
La stampa 3D e altri processi di produzione additiva consentono di produrre materiali con strutture interne complesse mai immaginate prima. Questo è interessante anche per le costruzioni leggere. È infatti possibile sviluppare materiali con la più ampia percentuale possibile di cavità interne (in modo che i materiali siano il più leggeri possibile) e allo stesso tempo il più stabile possibile. Per ottenere questo risultato, le strutture interne devono essere progettate in modo intelligente e il più efficiente possibile.
I ricercatori dell'ETH di Zurigo e del MIT, guidati da Dirk Mohr, professore di modellazione computazionale dei materiali nel settore manifatturiero, hanno sviluppato nuove strutture interne per i materiali che devono assorbire forze provenienti non solo da una direzione, ma da tutte e tre le dimensioni, e che allo stesso tempo sono estremamente rigidi.
Per via matematica, è possibile determinare la rigidità teorica dei materiali con cavità interne. Si può anche dimostrare che il nuovo metodo di costruzione di Mohr si avvicina molto a questo limite superiore di rigidità teorica. In altre parole, è praticamente impossibile sviluppare altre strutture di materiali che siano ancora più rigide a parità di peso.
Piastre invece di griglie
Il nuovo metodo di costruzione è caratterizzato dal fatto che la rigidità all'interno del materiale non è ottenuta con aste reticolari, ma con strutture a piastra che si ripetono regolarmente.
"Il principio del reticolo è molto antico, è stato utilizzato per molto tempo nelle case a graticcio, nei ponti in acciaio e nelle torri in acciaio come la Torre Eiffel. È possibile vedere attraverso le strutture reticolari. Per questo motivo sono spesso percepite come strutture leggere ottimali", spiega l'ETH Mohr. "Tuttavia, utilizzando calcoli al computer e misurazioni sperimentali, siamo ora in grado di dimostrare che le strutture a piastre sono fino a tre volte più rigide di quelle a traliccio a parità di peso e volume" (vedi anche il riquadro) e, oltre alla rigidità (resistenza alla deformazione elastica), anche la resistenza (resistenza alla deformazione irreversibile) di queste strutture si avvicina molto ai valori massimi teorici.
Gli scienziati dell'ETH hanno prima sviluppato le strutture al computer e calcolato le loro proprietà. Quindi le hanno prodotte in plastica utilizzando la stampa 3D su scala micrometrica. Tuttavia, Mohr sottolinea che i vantaggi di questo metodo di costruzione si applicano universalmente: a tutti i materiali e a tutte le scale, da quella nanometrica a quella molto grande.
Al passo con i tempi
Con le nuove strutture, Mohr e il suo team sono in anticipo sui tempi: la stampa 3D è attualmente ancora relativamente costosa. "Se oggi si producono additivamente strutture di questo tipo a partire dall'acciaio inossidabile, il loro costo al grammo è pari a quello dell'argento", spiega Mohr. Tuttavia, non appena le tecnologie di produzione additiva saranno pronte per la produzione di massa, ci sarà una svolta". Le costruzioni leggere, attualmente utilizzate solo nella costruzione di aerei e nell'industria aerospaziale per motivi di costo, potrebbero essere impiegate anche in un'ampia gamma di applicazioni in cui il peso gioca un ruolo importante".
Le applicazioni possibili sono praticamente illimitate, afferma Mohr. Impianti medici, alloggiamenti per computer portatili e strutture di veicoli ultraleggeri sono solo tre dei molti esempi possibili. "Quando i tempi saranno maturi e i materiali da costruzione leggeri saranno un giorno prodotti su larga scala, queste strutture a piastre periodiche saranno utilizzate", è convinto l'ETH.
Perché le strutture a piastre sono più stabili di quelle a traliccio
Quando si tratta di resistere a carichi provenienti da tutte e tre le dimensioni (dall'alto, dal basso, da sinistra, da destra, da dietro e da davanti), le strutture a piastre hanno un vantaggio rispetto alle strutture a traliccio. Il seguente esperimento mentale aiuta a capire questo aspetto: Immaginate due cubi con pareti esterne molto sottili. Al loro interno ci sono dei puntelli che impediscono ai cubi di essere compressi dalla pressione esterna. Un cubo utilizza barre come puntelli, l'altro utilizza piastre (vedi figura). Il volume del materiale e quindi il peso dei puntoni è identico in entrambi i casi.
Se una forza viene esercitata sul "cubo reticolare" (al centro) dall'alto, una delle tre barre reticolari (gialle) assorbe questa forza. Gli altri due stati maggiori (blu) non sponsorizzano la stabilità. Tuttavia, sono necessarie nel caso in cui la forza provenga da una direzione diversa. Se invece la forza viene esercitata sul "cubo di piastre" (a destra) dall'alto, due delle tre piastre (quelle gialle) sponsorizzano la stabilità. Questa forma sfrutta molto meglio i puntoni interni ed è più efficiente.
Riferimento alla letteratura
Tancogne-Dejean T, Diamantopoulou M, Gorji MB, Bonatti C, Mohr D: 3D Plate-Lattices: An Emerging Class of Low-Density Metamaterial Exhibiting Optimal Isotropic Stiffness. Advanced Materials 2018, 30: 1803334, doi: pagina esterna10.1002/adma.201803334pagina esterna