I RICERCATORI SONO RIUSCITI A REALIZZARE CERAMICHE STAMPATE IN 3D 4,5 VOLTE PIÙ RESISTENTI AGLI URTI
I ricercatori della Brown School of Engineering della Rice University hanno dimostrato che le strutture ceramiche stampate in 3D possono essere rinforzate per essere fino a 4,5 volte più resistenti agli urti semplicemente rivestendole con un sottile guscio polimerico.
Le strutture in questione includono degli schwarzites, ovvero dei reticoli speciali che presentano “curve gaussiane negative” che conferiscono loro rapporti resistenza-peso estremamente elevati. Sono stati quasi impossibili da produrre fino ad ora a causa della loro complessità, ma con la stampa 3D ora sulle carte, il team ritiene che le strutture potrebbero avere ampie applicazioni in tutto, dagli edifici e gli impianti ossei alle protesi portanti.
Muhammad Rahman, scienziato dei materiali presso la Rice University e coautore dello studio, ha aggiunto: “Sono abbastanza sicuro che se possiamo ottimizzare queste strutture topologicamente, mostrano anche buone promesse per l’uso come bioscaffold”.
La ceramica e il problema della fragilità
I materiali ceramici sono spesso definiti dalla loro resistenza al calore e agli agenti chimici, eccellente resistenza e durezza e bassa conduttività. Sono anche notevolmente biocompatibili, il che li rende ideali per applicazioni biomediche come sostituti ossei, parti dentali e persino scaffold di ingegneria tissutale. Sfortunatamente, anche la ceramica tende ad essere piuttosto fragile. Ciò significa che sono soggetti a fessurazione e frattura quando sono sottoposti a carichi di compressione elevati, il che limita il loro utilizzo in applicazioni strutturali pesanti.
In natura, le strutture a base di ceramica dura affrontano il problema della fragilità infondendo materiali organici morbidi nella miscela. Lo vediamo nei gusci dei molluschi, che sono composti da piastrine di aragonite a strati sottili simili a mattoni (95%) legate da biopolimeri morbidi (5%). Lo vediamo anche nelle ossa di molti animali, dove i nanocristalli minerali duri sono disposti accanto alle fibrille di collagene, formando matrici più resistenti.
Swarziti ceramici rivestiti con polimeri
Traendo ispirazione dal lavoro collaudato della natura, il team Rice ha stampato in 3D schwarzites ceramici su un sistema SLA Formlabs e li ha rivestiti con un polimero epossidico sottile e flessibile prima di polimerizzare ulteriormente le parti sotto la luce UV.
Nel gruppo di controllo non rivestito, le strutture si sono rivelate estremamente fragili, andando in frantumi come previsto durante i test di caduta e le prove di compressione idraulica. Nei campioni rivestiti, è bastato un rivestimento polimerico di 100 micron di spessore per fornire alle parti una resistenza fino a 4,5 volte maggiore alle fratture catastrofiche. Anche se spinte fino alla rottura, le strutture rivestite non sono esplose del tutto, sbriciolandosi e appiattendosi.
“Abbiamo visto chiaramente che le strutture non rivestite sono molto fragili”, ha detto Rahman. “Ma quando mettiamo le strutture rivestite in compressione, sosterranno il carico fino a quando non si rompono completamente. E curiosamente, anche allora non si rompono completamente in pezzi. Rimangono chiusi come il vetro laminato”.
Inoltre, rispetto ai materiali ceramici solidi rivestiti, i reticoli porosi di schwarzite stampati in 3D sono stati determinati per essere intrinsecamente più resistenti. Ciò è stato attribuito al meccanismo mediante il quale i rivestimenti polimerici si sono infusi nelle strutture porose, “riempiendo” i pori per migliorare la densità e la resistenza meccanica
“L’architettura ha sicuramente un ruolo”, spiega Seyed Mohammad Sajadi, autore principale dello studio. “Abbiamo visto che se rivestiamo una struttura solida, l’effetto del polimero non era efficace come con la schwarzite”.
Ulteriori dettagli dello studio possono essere trovati nel documento intitolato ” Ceramiche stampate in 3D tolleranti ai danni tramite rivestimento conforme “. È co-autore di Muhammad Rahman, Seyed Mohammad Sajadi et al.
Swarzites ceramiche non patinate e rivestite sotto una pressa idraulica. Foto via Rice University.
La stampa 3D in ceramica ha applicazioni in tutti i tipi di campi e industrie. All’inizio di quest’anno, i ricercatori dell’Università di Shenzhen e del Southwestern Institute of Physics hanno sviluppato un mezzo per produrre in modo additivo strutture ceramiche che emettono combustibile per reattori nucleari . Utilizzando ceramiche caricate al litio e stampa 3D DLP, il team è stato in grado di creare “coperte riproduttive” che generano in modo autosufficiente trizio, un elemento vitale del processo di fusione nucleare.
Altrove, in campo medico, gli scienziati dello Skolovo Institute of Science and Technology hanno precedentemente sviluppato un nuovo metodo di stampa 3D di impianti ossei in ceramica personalizzati . Nello specifico, il team ha implementato un approccio basato sulla simulazione per creare modelli 3D flessibili e
