Un gruppo di ricercatori della University of Miami e dello United States Air Force Research Laboratory ha dimostrato che le proprietà meccaniche di un composito rinforzato con fibra di carbonio possono essere modificate durante la stampa 3D intervenendo soltanto sul movimento dell’ugello.
Lo studio, condotto da Kaan Nuhoglu ed Emrah Celik della University of Miami insieme a Vikas Varshney dello United States Air Force Research Laboratory, parte da un principio noto nella produzione additiva dei compositi: quando un materiale contenente fibre corte attraversa un ugello, le forze di taglio tendono a orientare le fibre nella direzione di estrusione.
Questo allineamento è normalmente considerato vantaggioso perché aumenta la rigidità e la resistenza nella direzione principale del deposito. Il problema è che una struttura estremamente orientata diventa anche fortemente anisotropa: può sopportare bene i carichi in una direzione ma comportarsi in maniera molto diversa quando viene sollecitata lungo un altro asse.
I ricercatori hanno deciso di utilizzare questa caratteristica non come un limite da eliminare, ma come un parametro da programmare.
La soluzione consiste nel far oscillare lateralmente l’ugello lungo traiettorie sinusoidali durante la deposizione. Modificando l’ampiezza dell’oscillazione è possibile disturbare, randomizzare oppure perfino riorientare le fibre di carbonio presenti nell’impasto.
Il risultato è la possibilità di creare, all’interno dello stesso componente e utilizzando sempre lo stesso materiale, zone più rigide e altre maggiormente capaci di deformarsi e assorbire energia.
Non cambia il materiale: cambia il percorso della stampante
L’aspetto più interessante della ricerca è che non richiede una seconda fibra, un differente polimero o un cambio dell’hardware durante la fabbricazione.
La formulazione del materiale rimane la stessa. Rimangono invariati anche il contenuto di fibra, la geometria dell’ugello e la geometria esterna del pezzo.
A cambiare è il G-code che controlla il percorso della testa di stampa.
Nella Direct Ink Writing, indicata con l’acronimo DIW, una pasta viscoelastica viene estrusa sotto pressione attraverso un ugello e depositata secondo una traiettoria prestabilita. Nel caso di materiali caricati con fibre corte, il flusso attraverso l’ugello tende naturalmente ad allineare queste ultime con la direzione di estrusione.
Con una normale traiettoria rettilinea, quindi, gran parte delle fibre assume un orientamento longitudinale.
Nuhoglu, Celik e Varshney hanno introdotto invece una componente sinusoidale nel movimento dell’ugello. La testa non procede semplicemente lungo una linea retta, ma oscilla lateralmente mentre avanza.
Questa oscillazione modifica il campo di flusso del materiale e altera l’orientamento delle fibre all’interno del cordone depositato.
Tredici differenti condizioni di oscillazione
Per comprendere quanto fosse possibile controllare il fenomeno, il gruppo di ricerca ha sperimentato tredici differenti condizioni di deposizione.
La frequenza spaziale dell’oscillazione è stata mantenuta costante, mentre l’ampiezza laterale è stata modificata progressivamente da 0,125 a 2 millimetri.
La traiettoria può essere descritta attraverso una funzione sinusoidale nella quale l’ampiezza determina quanto l’ugello si sposta lateralmente rispetto alla propria direzione di avanzamento.
I ricercatori hanno utilizzato una frequenza angolare spaziale di 5 radianti per millimetro, corrispondente a una lunghezza d’onda di circa 1,257 millimetri. La scelta è stata effettuata considerando anche i limiti cinematici della stampante e la necessità di mantenere una deposizione continua.
Il diametro interno dell’ugello utilizzato negli esperimenti era di 0,58 millimetri.
Con oscillazioni molto piccole, il comportamento rimane simile a quello di una deposizione rettilinea: le fibre risultano prevalentemente parallele alla direzione di stampa.
Aumentando progressivamente l’ampiezza, l’orientamento diventa meno uniforme.
A un determinato livello di oscillazione i ricercatori hanno osservato una distribuzione quasi multidirezionale, con un angolo medio delle fibre vicino a 45 gradi e una dispersione elevata.
Continuando ad aumentare l’ampiezza emerge però un fenomeno ancora più interessante: le fibre non diventano semplicemente sempre più casuali, ma iniziano nuovamente a organizzarsi secondo una direzione preferenziale, questa volta maggiormente trasversale rispetto alla direzione principale di stampa.
La relazione tra oscillazione e orientamento delle fibre non è quindi lineare.
Dall’allineamento longitudinale alla distribuzione casuale, fino all’orientamento trasversale
Questo comportamento consente teoricamente di scegliere tra differenti microstrutture senza cambiare materiale.
Una traiettoria quasi rettilinea favorisce fibre fortemente allineate.
Un livello intermedio di oscillazione genera invece una rete maggiormente randomizzata.
Oscillazioni più ampie possono creare una nuova direzione preferenziale, orientando una parte consistente delle fibre trasversalmente rispetto al percorso principale.
In altri termini, il movimento della macchina diventa uno strumento attraverso il quale progettare la microstruttura interna del materiale.
È una differenza importante rispetto alla normale concezione dello slicing. Nei processi di stampa 3D il percorso utensile viene utilizzato soprattutto per stabilire dove depositare il materiale. In questo caso lo stesso percorso contribuisce anche a determinare come il rinforzo si organizzerà microscopicamente una volta estruso.
91 immagini al microscopio per misurare l’orientamento
Il gruppo della University of Miami e dello United States Air Force Research Laboratory non si è limitato all’osservazione visiva.
Per ciascuna delle tredici configurazioni di oscillazione sono state analizzate sette immagini microscopiche indipendenti, per un totale di 91 immagini.
Le fibre sono state individuate attraverso un sistema di elaborazione sviluppato in Python utilizzando le librerie open source scikit-image e NumPy.
Le immagini sono state convertite in scala di grigi e segmentate attraverso il metodo di sogliatura di Otsu. L’orientamento locale delle fibre è stato quindi calcolato attraverso l’analisi del tensore di struttura.
Da questi dati i ricercatori hanno ricavato un parametro di allineamento che permette di distinguere una configurazione fortemente orientata da una distribuzione maggiormente casuale.
Le osservazioni hanno confermato che l’ampiezza dell’oscillazione dell’ugello può essere correlata in maniera ripetibile alla microstruttura che si forma nel materiale.
Un composito epossidico con fibre corte Hexcel
Per gli esperimenti è stato preparato un composito termoindurente a matrice epossidica.
La resina impiegata era EPON Resin 826 di Hexion, alla quale sono state aggiunte fibre corte di carbonio AS4/BR102 di Hexcel.
Le fibre utilizzate avevano una lunghezza di circa 6,4 millimetri e un diametro di circa 7,1 micrometri.
Alla miscela è stata inoltre aggiunta la nanoclay Garamite-7305 di BYK, utilizzata per contribuire alle proprietà reologiche necessarie al processo Direct Ink Writing, insieme a un agente di reticolazione latente fornito da Sigma-Aldrich, società appartenente a Merck.
La formulazione finale utilizzata per i provini conteneva circa il 4,9% in volume di fibre corte di carbonio e il 3,6% in volume di nanoclay.
Il contenuto di fibra è quindi relativamente contenuto rispetto a quello raggiungibile in altri materiali compositi strutturali. Questo dettaglio è importante nell’interpretazione dei risultati perché gli stessi ricercatori osservano che una maggiore concentrazione di rinforzo potrebbe accentuare la differenza meccanica tra le zone con fibre allineate e quelle con orientamento casuale.
Una Creality Ender 5 trasformata in sistema Direct Ink Writing
Anche l’apparato sperimentale merita attenzione perché dimostra che il principio non dipende da una macchina industriale progettata appositamente per il test.
Il sistema di movimento era basato su una stampante Creality Ender 5 di Creality, modificata per funzionare come piattaforma Direct Ink Writing.
Al posto della normale estrusione di filamento termoplastico è stato installato un sistema di estrusione pneumatica.
Il materiale veniva caricato in una siringa da 30 cc e spinto attraverso l’ugello mediante un regolatore di pressione Ultimus V. L’aria compressa necessaria al sistema era fornita attraverso un compressore di California Air Tools.
Per ottenere una dispersione omogenea delle fibre e della nanoclay nella matrice epossidica, il materiale è stato preparato utilizzando un miscelatore planetario ad alto taglio ARE-310 di THINKY.
La miscelazione è stata effettuata in due cicli a 2.000 giri al minuto, con una fase di raffreddamento intermedia per evitare un eccessivo riscaldamento del composto.
Questo apparato ha permesso ai ricercatori di separare il controllo della pressione di estrusione da quello del movimento della testa, condizione utile per studiare gli effetti della traiettoria senza modificare continuamente altri parametri del processo.
Il G-code diventa uno strumento per progettare il materiale
Per generare le diverse configurazioni è stato sviluppato un algoritmo dedicato in Python capace di produrre automaticamente il G-code.
Il sistema crea traiettorie continue in funzione del grado di allineamento desiderato in ogni porzione del componente.
Uno degli aspetti affrontati riguarda la transizione tra regioni caratterizzate da differenti orientamenti.
Creare un passaggio brusco tra una zona rigida e una più flessibile potrebbe introdurre discontinuità e concentrazioni delle tensioni. Per questo motivo le traiettorie sono state organizzate in modo da consentire transizioni controllate.
L’algoritmo utilizza inoltre una strategia di deposizione serpentina: completata una traiettoria, viene selezionato il punto finale più vicino della linea successiva, alternando quando necessario la direzione di stampa.
In questo modo vengono ridotti i movimenti a vuoto e le interruzioni dell’estrusione, che potrebbero alterare localmente l’orientamento delle fibre.
Quattro differenti strutture con identica forma esterna
Per verificare se il controllo microscopico delle fibre producesse un effetto misurabile sulle proprietà del pezzo, i ricercatori hanno realizzato quattro configurazioni differenti.
Tutti i campioni avevano le stesse dimensioni esterne: 120 millimetri di lunghezza, 13 millimetri di larghezza e 3 millimetri di spessore.
La prima configurazione utilizzava fibre fortemente allineate lungo la direzione principale.
La seconda utilizzava un’oscillazione progettata per ottenere una disposizione fortemente randomizzata.
La terza introduceva un gradiente regolare tra differenti livelli di allineamento.
La quarta utilizzava invece una distribuzione ottimizzata, calcolata in funzione delle sollecitazioni previste durante la flessione.
Quest’ultimo campione rappresenta l’aspetto più interessante dello studio perché la struttura interna non cambia in maniera uniforme: le fibre vengono orientate diversamente a seconda del lavoro meccanico che quella specifica zona dovrà svolgere.
Le fibre più allineate vengono messe dove lo sforzo è maggiore
Per stabilire dove collocare le differenti microstrutture è stata utilizzata un’analisi agli elementi finiti.
Il componente è stato suddiviso virtualmente in regioni alle quali potevano essere assegnati differenti valori di allineamento delle fibre.
Il modello prevedeva cinque possibili stati, dal valore 1, corrispondente alle fibre fortemente allineate, fino al valore 0, corrispondente alla configurazione randomizzata.
Considerando otto regioni di controllo, lo spazio teorico comprendeva 390.625 possibili combinazioni.
Imponendo però alcuni vincoli fisicamente significativi, tra cui una variazione monotona dell’allineamento e valori definiti alle estremità, il numero di configurazioni da analizzare è stato ridotto a 210.
Ciascuna è stata sottoposta virtualmente a una simulazione di danneggiamento progressivo.
L’obiettivo non era ottenere semplicemente la massima forza prima della rottura, ma massimizzare l’energia complessivamente assorbita dal campione.
L’architettura risultante concentra le fibre maggiormente allineate nelle regioni dove le tensioni di flessione sono più elevate e introduce una struttura più disordinata nelle aree nelle quali una maggiore deformabilità può aiutare a dissipare energia.
Più rigido non significa necessariamente più resistente al danneggiamento
Il confronto tra le configurazioni mostra perché l’allineamento massimo delle fibre non rappresenti automaticamente la soluzione migliore per ogni componente.
Il provino con fibre completamente allineate presenta la maggiore rigidità iniziale. Il trasferimento del carico lungo la direzione delle fibre è efficiente e la deformazione iniziale rimane contenuta.
La configurazione completamente randomizzata è invece meno rigida e raggiunge prima il proprio picco di carico.
Le strutture graduate si collocano tra i due comportamenti.
La configurazione ottimizzata mantiene una resistenza massima paragonabile al campione con fibre allineate, ma continua a deformarsi maggiormente e distribuisce il danneggiamento su una porzione più ampia del componente.
Questo aumenta l’area sotto la curva sforzo-deformazione e quindi l’energia che il pezzo può assorbire prima della rottura.
Quasi il 10% di energia assorbita in più senza aggiungere materiale
Nei test sperimentali la struttura graduata ottimizzata ha mostrato un incremento medio dell’assorbimento di energia vicino al 10% rispetto al campione completamente allineato.
La resistenza massima a flessione è rimasta nello stesso intervallo del riferimento.
La differenza è stata ottenuta senza aumentare il peso del campione, senza modificare la quantità di fibra e senza cambiare la sua geometria.
Il risultato deriva esclusivamente dalla distribuzione dell’orientamento delle fibre attraverso il G-code.
Anche dal punto di vista statistico, i ricercatori hanno rilevato differenze significative nell’assorbimento di energia per le configurazioni graduate rispetto al riferimento completamente allineato.
I test di flessione a tre punti sono stati effettuati utilizzando una macchina universale Instron, con una velocità di spostamento della traversa di 2 millimetri al minuto e secondo una procedura basata sullo standard ASTM D7264 per i compositi a matrice polimerica.
Il modo in cui il pezzo si rompe cambia
Le fotografie dei campioni dopo i test mostrano una differenza che aiuta a comprendere il risultato.
Nei campioni uniformemente allineati o uniformemente randomizzati il danneggiamento tende a concentrarsi maggiormente in una determinata regione, generando una frattura dominante.
Nei campioni con orientamento graduato, il danno viene invece distribuito tra più zone.
Nel modello ottimizzato sono stati osservati diversi punti di danneggiamento separati.
Una propagazione della rottura più distribuita permette al componente di dissipare energia prima che si verifichi il cedimento globale.
È lo stesso principio che rende importante distinguere tra resistenza massima e tenacità: un materiale capace di sostenere un carico elevato non è necessariamente quello in grado di assorbire la maggiore quantità di energia prima di rompersi.
Le simulazioni hanno previsto risultati migliori di quelli reali
Il confronto con l’analisi agli elementi finiti ha evidenziato anche i limiti del sistema.
Il modello numerico ha previsto correttamente l’ordine relativo delle prestazioni delle quattro configurazioni, ma ha sovrastimato alcuni miglioramenti rispetto ai campioni realmente stampati.
Gli errori nella previsione della resistenza a flessione variavano, a seconda della configurazione, da circa il 7,8 al 20,3%, con un errore percentuale assoluto medio del 12%.
La differenza viene attribuita soprattutto al fatto che il modello virtuale considera una distribuzione delle fibre ideale, mentre durante la produzione reale l’ugello deve accelerare, decelerare e cambiare direzione.
Questi movimenti possono generare piccoli scostamenti rispetto all’orientamento previsto.
Anche la continuità dell’estrusione pone dei limiti: una traiettoria sinusoidale molto aggressiva richiede alla macchina accelerazioni elevate e può diventare difficile da eseguire senza perturbare il flusso del materiale.
L’ottimizzazione del percorso deve quindi tenere conto non soltanto della microstruttura desiderata, ma anche delle caratteristiche cinematiche della stampante.
Il ruolo potrebbe cambiare anche per i software di slicing
Una conseguenza interessante del lavoro della University of Miami e dello United States Air Force Research Laboratory riguarda il software.
Oggi uno slicer determina prevalentemente dove depositare il materiale, con quale velocità, con quale orientamento e secondo quale sequenza.
Applicando il principio dimostrato da Nuhoglu, Celik e Varshney, un futuro software potrebbe ricevere anche una mappa delle sollecitazioni proveniente da un’analisi strutturale e scegliere automaticamente differenti traiettorie per ottenere proprietà meccaniche locali specifiche.
Una zona sottoposta a grandi carichi potrebbe essere stampata con una traiettoria che allinea maggiormente le fibre.
Una regione destinata ad assorbire deformazioni potrebbe ricevere un percorso oscillante che ne aumenta la multidirezionalità.
Tra le due potrebbe essere generata automaticamente una transizione progressiva.
In questo scenario, il G-code non descriverebbe soltanto la forma tridimensionale del componente ma anche una parte della sua architettura interna.
Dai materiali a gradiente di composizione ai materiali a gradiente di orientamento
Il concetto rientra nella più ampia famiglia dei Functionally Graded Materials, o materiali funzionalmente graduati.
In molti sistemi di questo tipo le proprietà vengono modificate variando la composizione: può cambiare la percentuale di rinforzo, la matrice oppure il rapporto tra due materiali differenti.
L’approccio della University of Miami segue una strada differente.
La composizione rimane costante e viene modificato l’orientamento microscopico del rinforzo.
Ciò significa che due punti dello stesso pezzo possono avere la medesima percentuale di resina e di fibra di carbonio ma esibire differenti proprietà direzionali.
Il materiale non è quindi graduato chimicamente ma microstrutturalmente.
Una possibile applicazione nelle strutture aerospaziali
Gli autori indicano il settore aerospaziale come una delle possibili aree di applicazione.
Un componente di un’ala, per esempio, può richiedere contemporaneamente elevata capacità di sopportare il carico in alcune regioni e una certa deformabilità in altre.
Una soluzione tradizionale può prevedere nervature, irrigidimenti, giunti o altri elementi strutturali.
La possibilità di ottenere parte di questo comportamento modificando direttamente la microstruttura potrebbe, in prospettiva, ridurre la necessità di alcuni elementi aggiuntivi e consentire strutture più leggere.
Va però mantenuta una distinzione netta tra la dimostrazione sperimentale e un’applicazione industriale.
Lo studio riguarda piccoli provini rettangolari sottoposti a flessione a tre punti. Non dimostra che un componente aeronautico reale possa già essere progettato, stampato e certificato con questa tecnica.
Geometrie tridimensionali, carichi multidirezionali, fatica, temperatura, umidità, impatti e processi di qualificazione dei materiali introducono variabili ulteriori che dovranno essere studiate.
Un contenuto di fibra maggiore potrebbe amplificare l’effetto
Un altro elemento indicato dai ricercatori riguarda il contenuto relativamente basso di fibra di carbonio utilizzato negli esperimenti, pari a circa il 5% in volume.
Con una quantità limitata di rinforzo, la differenza tra una regione perfettamente orientata e una randomizzata rimane necessariamente contenuta.
In un sistema con una percentuale superiore di fibre, la differenza di rigidità e capacità di trasferimento del carico tra i diversi orientamenti potrebbe diventare maggiore.
Di conseguenza anche i vantaggi ottenibili attraverso una distribuzione graduata potrebbero crescere.
Si tratta però di una possibilità da verificare sperimentalmente: aumentando la quantità di fibra cambiano anche la viscosità dell’inchiostro, la pressione richiesta per l’estrusione, il rischio di intasamento dell’ugello e la qualità della deposizione.
La ricerca fa parte di un progetto più ampio sull’anisotropia programmabile
Il lavoro si collega alla ricerca di dottorato di Kaan Nuhoglu presso la University of Miami, dedicata all’anisotropia programmabile nei compositi termoindurenti stampati in 3D.
Il programma non studia soltanto la resistenza meccanica.
Nuhoglu ha esplorato anche l’utilizzo dell’orientamento controllato delle fibre per modificare la conduttività elettrica e ha sviluppato architetture definite “Bi-Modal”, nelle quali zone fortemente allineate convivono con regioni maggiormente randomizzate.
In precedenti prove su configurazioni differenti sono stati osservati incrementi fino a circa il 20% del carico di rottura e del 17% dell’energia assorbita in determinate condizioni.
Nella tesi viene inoltre descritto Bi-Slice, un software sperimentale che mira a trasformare i campi di tensione ricavati dall’analisi agli elementi finiti in G-code destinato alla produzione di compositi con microstruttura adattata al carico previsto.
È un passaggio concettuale significativo: collegare direttamente simulazione strutturale, slicing e processo di stampa.
La stampante non costruisce soltanto la geometria, ma può costruire anche le proprietà
Il risultato principale della ricerca non è quindi il solo aumento vicino al 10% dell’energia assorbita.
L’aspetto più interessante è la dimostrazione che un parametro normalmente considerato parte della strategia di deposizione può essere utilizzato come variabile di progettazione del materiale.
Con la stessa resina Hexion, le stesse fibre di carbonio Hexcel, la stessa nanoclay BYK, la stessa macchina basata sulla piattaforma Creality e lo stesso contenuto di materiale, il comportamento del pezzo cambia semplicemente modificando la traiettoria dell’ugello.
Il confine tra progettazione del componente e progettazione del materiale diventa così meno netto.
Nella produzione additiva dei compositi, la geometria della parte, il percorso dell’utensile e la microstruttura del materiale possono essere progettati come elementi dello stesso problema.
Se i prossimi studi riusciranno a trasferire questo principio a percentuali di fibra maggiori, componenti tridimensionali, carichi più complessi e macchine industriali, il percorso generato dallo slicer potrebbe diventare uno dei parametri attraverso i quali gli ingegneri definiscono non soltanto la forma del pezzo, ma anche il modo in cui ogni sua regione reagirà alle sollecitazioni.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
