Reticoli PETG stampati in 3D: uno studio individua un rapporto di anisotropia fino a 138,5 a parità di densità
La geometria di una struttura cellulare può modificare profondamente il comportamento meccanico di un componente stampato in 3D anche quando la quantità di materiale utilizzata rimane invariata. Uno studio pubblicato sulla rivista Materials Today Communications ha analizzato strutture reticolari in PETG realizzate mediante tecnologia FFF, individuando una forte dipendenza della rigidezza dalla direzione di carico e dalla configurazione delle celle.
Il lavoro, intitolato Stiffness tailoring and fracture mechanism transition in iso-density PETG cellular structures: The double anisotropy across auxetic and conventional regimes, è firmato da Mohamed Tahar Melouah, Mohammed Azzaz, Krimo Azouaoui, Hichem Zergane e Sid Ali Kaoua. Compare nel volume 57 della rivista, con riferimento editoriale a dicembre 2026, ed è stato segnalato da Fabbaloo il 13 ottobre.
Confrontare geometrie diverse senza cambiare la quantità di materiale
I ricercatori hanno sviluppato una serie di strutture cellulari nelle quali l’angolo caratteristico della cella varia da 65 a 120 gradi.
La variazione geometrica permette di passare progressivamente da configurazioni auxetiche a strutture più vicine ai tradizionali reticoli esagonali. I materiali auxetici possiedono un comportamento particolare: in determinate condizioni, quando vengono allungati in una direzione possono espandersi anche trasversalmente, invece di restringersi.
Per isolare il contributo della geometria, tutte le strutture sono state progettate con una densità relativa costante di 0,18. Il valore indica che la struttura cellulare utilizza una frazione del materiale che sarebbe presente in un volume pieno equivalente.
Mantenere costante questa densità impedisce che una configurazione risulti più rigida semplicemente perché contiene più polimero. Il confronto serve quindi a studiare il ruolo della forma.
Due sorgenti differenti di anisotropia
Gli autori introducono il concetto di double anisotropy, o doppia anisotropia.
La prima componente è geometrica: una cella può essere molto rigida in una direzione e flessibile in quella perpendicolare, a causa della disposizione delle pareti e degli elementi inclinati.
La seconda deriva dal processo di stampa. Nei componenti FFF, i percorsi del filamento, i punti di contatto fra estrusioni e le zone di saldatura influenzano la resistenza del pezzo. A seconda della direzione della sollecitazione, una frattura può attraversare il materiale depositato oppure propagarsi lungo le interfacce fra filamenti.
Di conseguenza, l’orientamento di stampa non agisce indipendentemente dalla geometria del reticolo. Le due componenti interagiscono e possono modificare sia la rigidezza iniziale sia il modo in cui la struttura arriva a rottura.
Il risultato a 85 gradi
La configurazione con angolo di 85 gradi ha prodotto il risultato più evidente. Le prove riportano un modulo elastico in una direzione pari a circa 231,3 MPa, contro circa 1,67 MPa nella direzione perpendicolare.
Il rapporto fra i due valori raggiunge 138,5, con un’incertezza stimata dagli autori di circa 17,4. Questo significa che, nelle condizioni sperimentali considerate, la struttura presenta una rigidezza enormemente diversa a seconda della direzione in cui viene sollecitata.
Non si tratta di un incremento generale della resistenza del PETG né di una struttura 138,5 volte più robusta in ogni condizione. Il valore è il rapporto fra due moduli elastici misurati lungo direzioni differenti per una specifica geometria e configurazione di prova.
Il risultato è particolarmente significativo proprio perché è stato ottenuto mantenendo costante la densità relativa.
Parametri di stampa e prove sperimentali
I campioni sono stati prodotti mediante una Ultimaker S5 utilizzando PETG in filamento da 2,85 millimetri, con ugello da 0,8 millimetri e larghezza di estrusione di 0,7 millimetri.
Le condizioni riportate comprendono una temperatura di estrusione di 240 °C, piano a 80 °C e ventilazione limitata al 20%. La strategia di deposizione prevedeva un orientamento alternato dei percorsi a ±45 gradi.
L’analisi ha combinato modelli teorici basati sulla meccanica delle travi, simulazioni agli elementi finiti e prove sperimentali di trazione. Gli autori hanno inoltre studiato le superfici di frattura con microscopia elettronica, per comprendere come il materiale si fosse separato.
Il modello analitico descrive efficacemente alcuni comportamenti, ma presenta limiti in corrispondenza delle configurazioni geometriche prossime a una particolare condizione di transizione. Per questo motivo il confronto con simulazioni tridimensionali e prove fisiche è una parte essenziale del lavoro.
Quando una struttura si rompe lungo o attraverso il filamento
Le osservazioni hanno evidenziato modalità di rottura differenti in funzione della direzione di carico.
In determinate prove orizzontali la frattura è risultata prevalentemente fragile, con separazione lungo le interfacce fra filamenti. Nel caso della configurazione a 85 gradi sollecitata verticalmente, è stato invece osservato un comportamento più duttile, con deformazione e lacerazione attraverso il materiale.
Questa differenza suggerisce che una geometria può non soltanto modificare il valore di rigidezza, ma anche condizionare il meccanismo con cui il componente assorbe deformazioni prima della rottura.
Il risultato non deve essere generalizzato automaticamente a ogni stampante, materiale o orientamento di deposizione: gli stessi ricercatori sottolineano l’importanza della strategia di stampa utilizzata.
Possibili applicazioni e limiti
Le strutture cellulari a rigidezza direzionale possono interessare componenti leggeri, dispositivi deformabili, robotica morbida e sistemi nei quali sia utile combinare resistenza in una direzione e flessibilità in un’altra.
In ambito biomedicale, geometrie cellulari controllate possono contribuire allo studio di scaffold con proprietà meccaniche differenziate. Tuttavia, l’esperimento è stato condotto con PETG e in condizioni specifiche di prova: non dimostra direttamente l’idoneità biologica o clinica di un dispositivo.
Restano inoltre da approfondire comportamento a fatica, risposta agli urti, variabilità fra stampanti e influenza di percorsi di deposizione alternativi.
La progettazione della forma diventa progettazione delle proprietà
Il contributo principale dello studio è mostrare che densità relativa e tipo di polimero non bastano a prevedere il comportamento di una struttura stampata. Occorre considerare l’architettura delle celle e il modo in cui questa interagisce con le caratteristiche introdotte dal processo FFF.
Il controllo della geometria permette di modificare proprietà meccaniche senza dover necessariamente cambiare materiale o aumentare il peso. Per il settore dell’additive manufacturing, è un risultato che rafforza il ruolo della progettazione dei reticoli come parte integrante dell’ingegnerizzazione del componente
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI).
