Una nuova struttura reticolare ultra-rigida e ad alta capacità di assorbimento energetico per applicazioni nel settore delle costruzioni e della sicurezza
I ricercatori dell’Università RMIT hanno sviluppato una struttura reticolare ispirata alla natura (BLS) che offre 13 volte maggiore rigidità e un 10% di miglioramento nell’assorbimento energetico rispetto ai materiali auxetici attualmente in uso.
Questa struttura, ispirata alla spugna marina Venus’ flower basket, mantiene le proprietà auxetiche su un intervallo di deformazione 60% superiore rispetto ai materiali esistenti, aprendo la strada a nuove applicazioni nel settore delle costruzioni, delle protezioni e degli impianti medici.
Caratteristiche dei materiali auxetici e le loro applicazioni
I materiali auxetici si comportano in modo opposto ai materiali convenzionali: tendono a indebellirsi sotto tensione ed espandersi sotto compressione, mentre i materiali tradizionali si allungano quando tesi e si restringono quando compressi. Queste proprietà sono state sfruttate, ad esempio, nei stent medici, dove è fondamentale un’espansione controllata. Tuttavia, i materiali auxetici tradizionali presentano bassa rigidità e capacità limitata di assorbire energia, il che ne limita l’impiego in molteplici applicazioni.
Superamento dei limiti dei design tradizionali
Secondo il dott. Jiaming Ma, autore principale dello studio pubblicato su Composite Structures, la ricerca affronta queste limitazioni sviluppando una struttura a doppio reticolo che ottimizza la distribuzione dei carichi e la resistenza alla deformazione. La struttura proposta supera i limiti dei tradizionali design auxetici, come le strutture a nido d’ape reentranti, che storicamente hanno sofferto di bassa rigidità e scarsa capacità di assorbimento energetico.
Test e simulazioni della nuova struttura reticolare
Per testare le prestazioni strutturali, i ricercatori hanno creato prototipi utilizzando poliuretano termoplastico (TPU) stampato in 3D, materiale scelto per la sua flessibilità, che ha permesso di osservare il comportamento auxetico della struttura sotto carichi di compressione. I test di compressione quasi-statici hanno confermato che la struttura reticolare ispirata alla biologia resiste a stress di picco più elevati prima di fallire, mantenendo comunque il comportamento auxetico su un intervallo di deformazione significativamente più ampio rispetto ai design tradizionali.
Le simulazioni con analisi agli elementi finiti (FEA) hanno dimostrato che l’arrangiamento del doppio reticolo migliora sia la rigidità che l’assorbimento energetico. Il miglioramento della rigidità di 13 volte e l’aumento dell’assorbimento energetico del 10% sono attribuiti al design strutturale, piuttosto che al materiale stesso.
Influenza della geometria del reticolo sulle prestazioni
La ricerca ha anche analizzato come variazioni nella geometria del reticolo influenzano le prestazioni strutturali. È emerso che l’aumento dello spessore delle travi non diagonali migliora la rigidità, mentre l’espansione dello spazio tra le travi diagonali ottimizza l’assorbimento energetico.
Applicazioni per la costruzione resistente ai terremoti e altri settori
Il coautore Dr. Ngoc San Ha ha evidenziato le potenziali applicazioni di questo design strutturale nella costruzione resistente ai terremoti, dove l’alta rigidità e la capacità di assorbire energia potrebbero ridurre il bisogno di acciaio e cemento, mantenendo però l’integrità strutturale. Inoltre, questa struttura potrebbe essere utilizzata per armature leggere, giubbotti antiproiettile e impianti medici resistenti agli urti, dove l’assorbimento energetico è cruciale.
Futuri sviluppi e applicazioni avanzate
Sebbene i prototipi iniziali siano stati realizzati con TPU, la fase successiva della ricerca si concentrerà sul miglioramento della produzione con versioni in acciaio. Il team esplorerà anche l’utilizzo di algoritmi di machine learning per ottimizzare ulteriormente la struttura per applicazioni specifiche, inclusi materiali programmabili con proprietà meccaniche regolabili.
Secondo i ricercatori, i risultati suggeriscono che, con futuri perfezionamenti, le strutture reticolari auxetiche potrebbero offrire soluzioni più efficienti e adattabili per i settori della costruzione, della sicurezza e delle industrie mediche.
Ricerca sui materiali presso RMIT
Questa ricerca si inserisce nel quadro degli sforzi più ampi dell’Università RMIT nel campo delle scienze dei materiali e della stampa 3D, finalizzati allo sviluppo di strutture più forti, leggere ed efficienti per diverse industrie.
L’anno scorso, RMIT ha sviluppato un metamateriale in titanio stampato in 3D che è il 50% più resistente della più forte lega di magnesio con densità simile, utilizzata nel settore aerospaziale. Questo materiale, realizzato con lega di titanio Ti-6Al-4V, è stato progettato con una struttura a struttura a trave cava (HLS) per distribuire uniformemente il carico e migliorare la resistenza meccanica.
La struttura è stata realizzata tramite la tecnica di fusione a letto di polvere (PBF) nella manifattura additiva, superando le difficoltà legate alla fabbricazione e alla concentrazione di stress. I test di compressione hanno confermato la durabilità migliorata, rendendolo adatto per impianti medici, componenti aerospaziali e razzi.
Ottimizzazione delle strutture in cemento stampate in 3D
In altre ricerche, gli studiosi di RMIT hanno ottimizzato le strutture in cemento stampate in 3D, imitano i pattern a spirale delle conchiglie delle aragoste, migliorando la durabilità e la distribuzione del carico. L’adozione di fibra d’acciaio da 6 mm (0,75%) ha migliorato l’integrità strutturale, ridotto i difetti e accelerato l’indurimento, consentendo la realizzazione di strutture più alte e complesse.
Il team ha pianificato di espandere la sua ricerca nel settore delle abitazioni stampate in 3D, con materiali riciclati e pareti fonoassorbenti, supportata da un grant per le innovazioni del governo australiano.
