La James Cook University (JCU) in Australia ha avviato una partnership con Lockheed Martin, leader nel settore della difesa statunitense, per mettere a punto un materiale ceramico ad alte prestazioni prodotto mediante stampa 3D. L’obiettivo è verificare l’idoneità di questo nuovo composito in applicazioni aerospaziali sottoposte a sollecitazioni termiche e meccaniche estreme, come quelle riscontrabili in volo ipersonico.
Caratteristiche dei materiali ceramici nell’aerospazio
I compositi ceramici trovano largo impiego per la loro capacità di mantenere integrità strutturale a temperature molto elevate, tipiche dei motori a razzo o degli scudi termici di rientro. Tuttavia, la natura fragile di questi materiali ne limita l’impiego in componenti soggetti a vibrazioni o impatti ciclici, poiché la formazione di microfessure può condurre a rotture improvvise.
La ceramica flessibile stampata in 3D
Il gruppo coordinato dalla dott.ssa Elsa Antunes ha realizzato un composito ceramico con un comportamento ‘elastico’ al punto da piegarsi e ritornare alla forma originale senza danneggiarsi. Questo risultato è stato ottenuto grazie a un procedimento di stampa 3D che consente di disporre strati di materiale con geometrie controllate millimetricamente, ottenendo pareti sottili e modulate secondo le sollecitazioni previste. È stato sviluppato un legante specifico, combinato con polveri di ceramica, in grado di sopportare temperature fino a 2.500 °C pur mantenendo la coesione interna.
Proprietà meccaniche e test di durabilità
Sui campioni stampati è stato misurato un carico di flessione massimo pari a 1,7 GPa. In prove di fatica, i pezzi hanno superato 10.000 cicli di sollecitazione con un carico equivalente all’80 percento del valore massimo, senza mostrare segni di frattura. In confronto, una ceramica tradizionale resiste al massimo al 20 percento di tale sollecitazione. Questi risultati confermano una significativa tenacità, condizione indispensabile per componenti esposti a carichi variabili durante il decollo, il volo o il rientro atmosferico.
Vantaggi della produzione additiva
La stampa 3D offre la possibilità di realizzare geometrie complesse impossibili da ottenere con tecniche convenzionali di formatura ceramica. I progettisti possono inserire spessori differenziati, strutture cave o reticolari e canali di raffreddamento integrati. Questo livello di personalizzazione permette di adattare con precisione la distribuzione delle proprietà termiche e meccaniche all’impiego specifico. Inoltre, il processo additivo riduce i tempi di produzione: dall’avvio della stampa al pezzo finito passano circa sette giorni, mentre le metodologie tradizionali, basate su stampi e sinterizzazioni multiple, richiedono anche alcune settimane.
Applicazioni per il volo ipersonico
Le prestazioni termiche del nuovo materiale lo rendono adatto a componenti di veicoli capaci di superare Mach 5. In queste condizioni, la temperatura sulla superficie esterna può raggiungere valori compresi tra 2.000 °C e 3.000 °C. Un rivestimento flessibile, capace di assorbire sollecitazioni meccaniche e termiche, riduce il rischio di distacchi o crepe durante le fasi di spinta e rientro. Lockheed Martin sottoporrà i prototipi a prove in galleria del vento ad alta velocità e test di resistenza termica in laboratori specializzati, al fine di validarne l’applicazione su alettature, scudi o componenti di motori a razzo.
Ruolo del Queensland nella produzione avanzata
Il progetto rientra nel programma Collaborative Research Grants promosso dalla Queensland Defence Science Alliance. La dott.ssa Antunes ritiene che questa collaborazione ponga il North Queensland al centro della ricerca sulle tecnologie di manifattura avanzata. Gli studenti coinvolti acquisiscono competenze in ambito aerospaziale, stampa 3D e verifica sperimentale, gettando le basi per futuri sviluppi industriali nella regione.
Con questa sperimentazione, JCU e Lockheed Martin mirano a definire nuovi standard per materiali ceramici ad alte prestazioni e a confermare il ruolo della produzione additiva come tecnologia abilitante per il settore aerospaziale.
