Stampa 3D multi-materiale: test di materiali compositi ispirati a materiali biologici
Nel recente pubblicato ” Comportamento alla frattura di compositi morbidi e rigidi di ispirazione funzionale bio-ispirati realizzati con la stampa 3D multi-materiale: il caso delle crepe colinear “, i ricercatori dell’Università di tecnologia di Delft (TU Delft) esplorano ulteriormente l’impatto dei gradienti funzionali in materiali relativi a numerose applicazioni tecniche, come l’aerospaziale o la medicina.
In questo studio, il team di ricerca si concentra sulla sperimentazione di gradienti sia graduali che continui, sottolineando che le MGF servono come compositi “multifase” che dovrebbero soddisfare requisiti meccanici, termici, elettrici e altro ancora. Sebbene gli FGMS possano essere applicati a più discipline, sono anche utilizzati nei seguenti casi:
Rivestimenti a barriera termica
Dispositivi piezoelettrici
Dispositivi termoelettrici
Cilindri pressurizzati non uniformi
Impianti dentali
Idrogel classificati biocompatibili
Robotica
Ponteggi per ingegneria dei tessuti
Le MGF sono presenti anche in natura nei tessuti duri come ossa e denti e sono utilizzate per trarre vantaggio dalle applicazioni moderne poiché le interfacce hard-soft possono essere eliminate, contribuendo a evitare crepe, delaminazioni e danni all’integrità strutturale.
“Il concetto di gradienti funzionali è, quindi, uno dei motivi di progettazione che ha le sue radici in natura e può essere implementato nella progettazione di materiali funzionali avanzati con proprietà non raggiungibili utilizzando materiali omogenei”, hanno affermato i ricercatori.
Le MGF consentono inoltre prestazioni complessivamente migliori, la possibilità di personalizzare i materiali per le applicazioni necessarie e promuovere una maggiore longevità nei prodotti. Mentre la produzione additiva continua a progredire, esiste un potenziale molto più grande per la creazione di MGF che sono sia complesse che “controllate con precisione”.
“Negli ultimi anni, sono emerse tecniche avanzate di fabbricazione di additivi multi-materiale che consentono di controllare il materiale depositato a livello di voxel (ovvero scale di lunghezza nell’intervallo di alcune decine di micrometri) attraverso processi di getto di materiale”, spiega i ricercatori. “Usando queste tecniche emergenti, si può controllare con precisione la distribuzione spaziale delle proprietà meccaniche in tre dimensioni su scale molto piccole.”
Mentre è noto che le MGF causano il potenziale di stress, screpolature e altro, il team di ricerca spiega che è importante comprendere il comportamento della frattura da MGF in 3D. Hanno creato modelli di meccanica delle fratture per determinare le modalità di frattura e gli orientamenti delle fratture, enfatizzando il palcoscenico difficile da morbido. Dieci campioni sono stati stampati in 3D per prove di trazione e divisi nei seguenti gruppi:
Brusche connessioni hard-soft senza gradiente
Tre varianti di strutture classificate per gradi (5 passaggi, 10 passaggi, 15 passaggi)
Strutture a gradazione continua con due diverse funzioni di gradiente, ovvero funzioni sigmoide e lineare
I campioni sono stati creati utilizzando una stampante 3D Objet350 Connex3 TM , con VeroMagenta TM per la durezza e Agilus30 TM Black per la fase morbida.
La sollecitazione da sforzo era la stessa per tutti i campioni, con le curve composte da una forza che aumentava linearmente durante lo stiramento, e quindi una brusca diminuzione della forza in seguito a frattura fragile. Durante la seconda fase, la forza è stata sostenuta fino alla fine, con conseguente rottura in quel punto.
“Abbiamo scoperto che, a differenza della frattura in altre direzioni, le proprietà della frattura (p. Es., Deformazione della frattura) che sono misurate per le crepe che sono lineari rispetto alla direzione del gradiente sembrano migliorare quando il gradiente del materiale non è continuo”, hanno concluso i ricercatori. “Le MGF a gradiente continuo, d’altra parte, hanno mostrato rigidità e energie di frattura leggermente più elevate.”
“Ciò suggerisce che il tipo di funzione del gradiente (cioè continuo o non continuo) può influire in modo diverso sul comportamento alla frattura delle MGF, a seconda dell’orientamento della fessura rispetto alla direzione del gradiente. Ancora più importante, oltre al tipo di funzioni di gradiente, la lunghezza della zona di transizione tra le fasi dura e molle è il parametro più critico che influenza la resistenza alla frattura degli MGF per incrinare la crescita che deve essere inclusa nella progettazione di questi materiali avanzati “.
Man mano che gli utenti utilizzano sempre più la stampa 3D per creare parti funzionali rispetto ai prototipi, i ricercatori e i produttori approfondiscono ulteriormente i test di resistenza dei materiali, sia che testino con il carbonio , cercando la rigidità senza rotture , innovando con la memoria di forma e altro ancora.
(a) Curve stress-deformazione tipiche di campioni con interfacce classificate o non classificate. L’inserto mostra una vista ingrandita delle curve sforzo-deformazione fino al 4% di deformazione. Misurazione della deformazione a pieno campo mediante correlazione digitale delle immagini (DIC) di campioni con cinque passaggi (b) e funzioni di transizione lineare (c). Le immagini DIC mostrano la deformazione di von Mises prima del massimo carico (), al massimo carico () e dopo il massimo carico (). Le immagini al microscopio digitale (ingrandimenti 200 ×) e le corrispondenti analisi al microscopio elettronico a scansione (SEM) (ingrandimenti 35.000 ×) della superficie di frattura dei campioni con cinque fasi e la funzione di transizione lineare sono presentate nelle figure secondarie (d) ed (e) , rispettivamente. Le immagini SEM mostrano le immagini ingrandite di otto regioni di strutture. Le barre di scala per le immagini al microscopio digitale si trovano sopra le immagini corrispondenti e sotto le immagini SEM. La fase difficile è in pixel bianchi, mentre la fase morbida è in nero. La dimensione della lunghezza di transizione era del 100% W per i campioni nelle sottofigure (b – e). 
Grafici a barre per il confronto delle proprietà meccaniche dei campioni in dieci gruppi, tra cui rigidità elastica (a), sollecitazione alla frattura (b), energia della frattura (c) e deformazione finale (d). I parametri statistici delle proprietà di frattura calcolate sono riassunti nella Tabella S2 del documento supplementare. Un’analisi ANOVA e un test post-hoc di differenza onestamente significativa (HSD) di Tukey sono stati utilizzati per determinare se vi fosse una differenza significativa tra i diversi gruppi. Le tabelle di confronto sono presentate nelle tabelle S3 – S6 del documento supplementare. I grafici di Ashby confrontano l’energia della frattura con la rigidità elastica (e) e lo sforzo di frattura (f). I grafici mostrano la media e le deviazioni standard per ciascun punto dati. Le proprietà di frattura dei campioni monolitici duri e molli sono adottate da [30]. 
Una vista schematica di un campione a trazione a taglio singolo con una fenditura iniziale in linea con la direzione del gradiente (a) per campioni non classificati (b) e classificati (c, d). La zona di transizione tra fasi dure e morbide aveva due funzioni di gradiente, vale a dire (i) passo-passo (5 passi, 10 passi e 15 passi) e (ii) continuo (sigmoide e lineare). Un disegno schematico che mostra le diverse funzioni del gradiente è presentato nella Figura S1 del documento supplementare. Anche la dimensione della lunghezza di transizione tra le fasi dura e morbida è stata variata. Sono stati considerati tre livelli per le lunghezze di transizione, vale a dire 5%, 25% e 50% della larghezza (W) del campione. La matrice del design è presentata in (e). I pixel bianchi e neri rappresentano rispettivamente le fasi dura e morbida. I parametri geometrici erano L = 75 mm, W = 75 mm, L0 = 100 mm e a0 = 15 mm