Stampare materiali simili alle ossa

Figura 1 - Struttura a mattoni fratturata ispirata alla madreperla
Figura 1 – Struttura a mattoni fratturata ispirata alla madreperla

Tough Composites Inspired by Mineralized Natural Materials: Computation, 3D printing, and Testing

Leon S. Dimas, Graham H. Bratzel, Ido Eylon, Markus J. Buehler.

Department of Civil and Environmental Engineering, MIT, Cambridge

 

La ricerca di materiali innovativi che permettano di ottenere caratteristiche di leggerezza, durata e sostenibilità ambientale si sta ispirando sempre più al mondo dei compositi naturali, come ad esempio le ossa. L’osso è un materiale complesso, resistente a carichi elevati e contemporaneamente poco fragile, a causa della sua struttura composta da collagene (soffice) e idrossiapatite (minerale, rigido) organizzata in sistemi complessi e gerarchici che cambiano a seconda della scala a cui si osserva il materiale.

Figura 2 - Provini e setup di prova
Figura 2 – Provini e setup di prova

Ricercatori del MIT hanno sviluppato un approccio ispirato alla struttura ossea, che evita le tipiche difficoltà incontrate nella creazione di strutture complesse: tramite un procedimento di stampa 3D molto preciso, polimeri rigidi e soffici vanno a costituire schemi geometrici molto complessi, ottimizzati al calcolatore per ottenere una resistenza alla frattura fino a 22 volte maggiore rispetto ai materiali base.

Le strutture geometriche utilizzate sono basate appunto su quelle osservate nel tessuto osseo umano, in grado di dissipare energia su aree più grandi e dirigere le fratture attraverso percorsi complessi e meno critici per la struttura. Alcune strutture differenti sono state simulate tramite codici numerici e confrontate con gli esperimenti, per validare le proprietà previste.

Figura 3 - Modalità di frattura del composito a struttura ispirata all’osso
Figura 3 – Modalità di frattura del composito a struttura ispirata all’osso
Figura 4 - Modalità di frattura della struttura ispirata alla calcite
Figura 4 – Modalità di frattura della struttura ispirata alla calcite

I ricercatori hanno realizzato tre diversi tipi di struttura: una struttura a mattoncini in cui la calce è elastica e i mattoni rigidi; una struttura inversa che simula la calcite, con celle rigide che contengono polimero più elastico, e un pattern a diamanti simile alla pelle di serpente. Tutti i materiali hanno mostrato ottime caratteristiche di resistenza alla frattura, e la tecnica di stampa 3D è risultata fattibile per la produzione di compositi ad alta tenacità. Con un’adeguata economia di scala questa tecnologia permetterà di ottenere strutture dalla forma complessa e dall’elevata resistenza, oltre a mantenere leggerezza e sicurezza elevata.

Tips&Triks

La tolleranza geometrica del profilo — Le regole della ISO 1660:2017

La tolleranza geometrica del profilo è uno dei più versatili e potenti strumenti per il dimensionamento funzionale oggi disponibile, in quanto non è solo una tolleranza di forma, ma controlla contemporaneamente dimensione, orientamento, posizione e naturalmente forma di un elemento.

Software

Analisi numerica di linee di profilatura a freddo per acciai altoresistenziali

L’introduzione di nuovi materiali ha stimolato l’innovazione nei processi di lavorazione per profilatura a freddo, consentendo di migliorare la qualità del prodotto laminato e di ridurre alcune criticità tipiche di questa lavorazione. Per prevedere il comportamento del laminatoio durante il

Software

Validazione di un software CFD

I risultati di un’analisi CFD dipendono sia dalle capacità dell’analista, sia dal software CFD utilizzato. Per questo, prima di effettuare delle simulazioni, è importante validare il software e verificare che i risultati siano affidabili. In questo articolo, spieghiamo come approcciarsi