Compensato stampato in 3D: più leggero del legno e più rigido rispetto al calcestruzzo

Traduzione a cura di Denis Gobbi

Negli impianti eolici in Nord America e Europa, eleganti turbine equipaggiate con tecnologia all’avanguardia convertono l’energia del vento in elettricità. Ma, all’interno di queste pale ingegnerizzate modernamente, c’è un cuore di materiale decisamente poco raffinato tecnologicamente parlando: legno di balsa. Come altri prodotti che utilizzano sandwitch di pannelli per raggiungere una combinazione di leggerezza e forza strutturale, le pale delle turbine contengono strisce di legno di balsa dall’Equador (che provvede alla soddisfazione del 95% della domanda mondiale di questo materiale) sapientemente allineate. Per secoli, l’albero della Balsa è stato ritenuto pregiato per la sua velocità di crescita (in 5 anni un albero è già pronto per essere abbattuto e lavorato N.d.T.), la sua leggerezza e la sua resistenza rapportata alla densità del legno. Per contro il legno di balsa risulta costoso e le naturali variazioni nella qualità del legno possono essere d’ostacolo nel raggiungere crescenti richieste di precisione in quanto a performance richieste nel campo dell’eolico ed altre sofisticate applicazioni.

A mano a mano che i produttori di turbine aumentano le dimensioni delle pale eoliche – la più grande al mondo ora misura 75 metri, come l’apertura alare di un aereo di linea Airbus A380 – esse devono anche essere ingegnerizzate per mantenersi libere dal bisogno di manutenzione per decine di anni. Per riuscire a soddisfare queste crescenti richieste di precisione, minor peso e consistenza qualitativa, i costruttori stanno ora ricercando nuovi materiali adatti allo scopo da impiegare.

Usando un cocktail di fibre rinforzate con resine epossidiche termoindurenti, combinate con tecniche di estrusione 3d gli scienziati dell'”Harvard School of Engineering and Applied Sciences” (SEAS) e del “Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering” hanno sviluppato un materiale cellulare composito con particolarità senza precedenti riguardo a leggerezza e rigidità. A causa delle sue proprietà meccaniche e del processo di produzione, questo nuovo materiale imita e migliora la balsa e, a detta dei ricercatori, supera anche il miglior polimero e i migliori composti polimerici stampati in 3d attualmente disponibili.

Un documento illustrante i risultati del team di ricerca è stato pubblicato online su “Advanced Materials”.

Fino ad oggi, la stampa 3d era stata utilizzata nel campo della termoplastica e delle UV – resine reticolabili – materiali che non sono considerati generalmente utili ingegneristicamente parlando per applicazioni strutturali. “Addentrandoci in una classe di materiali completamente nuova quali gli epossidici, apriamo nuovi vie che porteranno la stampa 3d ad essere efficacemente impiegata nella fabbricazione di strutture ultraleggere” ha affermato Jennifer A. Lewis, professore di Ingegneria Biologicamente Ispirata ad Harvard SEAS. “Essenzialmente, stiamo ampliando i materiali e i possibili campi di applicazione della stampa 3d.”

Il legno di balsa ha una struttura cellulare che minimizza il peso perchè la maggior parte dello spazio che occupa risulta vuoto, solamente le pareti cellulari sostengono il peso strutturale. Ha quindi un alta rigidità e forza specifica.” Spiega Luis, che oltre al suo ruolo ad Harvard è anche un membro facoltoso dell’Istituto Wyss. “Abbiamo preso in prestito quel design dalla natura e ne abbiamo creato un’altro composto ingegneristicamente.”

Lewis e Brett G. Compton, hanno sviluppato inchiostri di resina epossidica contenenti aumentatori di viscosità come piastrine di nanoargilla e un composto chiamato dimetil fosfato e riempitivi quali piccoli “baffi” di carbonato di silicio e fibre di carbonio. Il risultato è un inchiostro altamente fibroso che ha nella sua caratteristica chiave il poter essere facilmente controllato nell’orientamento delle fibre durante l’estrusione.

La direzione presa nel depositare il composto ne determina la forza (pensate alla facilità con cui si spezza un pezzo di legno in parallelo lungo le fibre piuttosto che perpendicolarmente contro il grano).

Luis e Compton hanno dimostrato che grazie alla loro tecnica si può ottenere un composto rigido come il legno, dalle 10 alle 20 volte più rigido dei normali polimeri utilizzati dalle stampanti 3d commerciali, e il doppio più forti dei migliori composti attualmente esistenti in questo campo. L’abilità nel controllare l’allineamento dei riempitivi permette a chi li produce di modificarne digitalmente la composizione controllandone la rigidità e tenacità a seconda del design di riferimento.

“Questo rende possibile, per la prima volta, la stampa 3d di strutture a nido d’ape formate da celle rinforzate con fibre” afferma Lorna Gibson, professoressa di scienze dei materiali e ingegneria meccanica al Massachusetts Institute of Technology, nonchè una dei più grandi esperti in composti a celle, seppur non fosse coinvolta in questa ricerca. “Particolarmente significante è il modo in cui le fibre possono venire allineate mediante il controllo della loro proporzione – intesa come lunghezza relativa al diametro – e il diametro dell’ugello utilizzato. Questo segna un importante passo avanti nel design ingegneristico di materiali che simulano il legno, ovunque conosciuto per le sue lodabili qualità meccaniche in rapporto al suo peso.”

“Ottenendo man mano maggior controllo nell’allineamento delle fibre ed imparando ad integrare meglio il loro orientamento in design efficienti possiamo ancora ottimizzare l’efficienza di questo materiale” ha aggiunto Compton, facente parte ora dello staff di ricerca al Laboratorio Nazionale di Oak Ridge.  “Eventualmente, potremmo essere prossimamente capaci di cambiare il grado di allineamento e la composizione delle fibre riempitive in tempo reale durante la stampa.

Questo lavoro potrebbe trovare applicazione in molti campi inclusa l’industria automobilistica, dove i materiali leggeri sono una chiave nel raggiungimento di alti standard d’efficienza quanto a carburante consumato. Secondo una stima, tagliando anche solo 110 libbre di peso da ogni autoveicolo nel miliardo di autoveicoli presenti nelle strade del mondo produrrebbe un risparmio di 40 miliardi di dollari ogni anno.

La stampa 3d può trasformare radicalmente la produzione anche in altre vie. Lewis afferma che il prossimo passo consisterà nel testare resine termoindurenti per la creazione di diversi tipi di architettura includendo anche la tecnica di allineamento delle fibre precedentemente spiegata. Questo potrebbe portare in avanzamenti non solo nei materiali strutturali, ma anche nel campo dei composti conduttivi.

Fonte: Seas.harvard.edu

Questo opera è distribuito con licenza Creative Commons Attribuzione – Non commerciale – Condividi allo stesso modo 3.0 Italia.