I ricercatori del team di materiali complessi e materiali morbidi dell’ETH di Zurigo hanno sviluppato un approccio bioispirato alle strutture leggere di stampa 3D utilizzando stampanti desktop FDM a basso costo e polimeri a cristalli liquidi . Per la prima volta, sono stati in grado di stampare oggetti da un singolo materiale riciclabile con proprietà meccaniche che superano tutti gli altri polimeri stampabili disponibili e possono competere anche con i materiali compositi rinforzati con fibre.
Stampa 3D LCP gerarchici e termotropici che utilizzano la modellazione di deposizioni fuse.
Le strutture polimeriche rinforzate con fibre sono spesso utilizzate quando sono richiesti materiali leggeri rigidi, come ad esempio negli aerei, veicoli e impianti biomedici. Nonostante la loro rigidità e resistenza molto elevate, tali materiali leggeri richiedono processi di fabbricazione a consumo energetico e di lavoro. Inoltre, i risultati sono fragili, facilmente fratturati e difficili da modellare e riciclare.
I ricercatori sono stati ispirati da due materiali che si possono trovare in natura: seta di ragno e legno. La seta ragno ottiene le sue ineguagliabili proprietà meccaniche dall’elevato grado di allineamento molecolare delle proteine della seta lungo le direzioni delle fibre. Utilizzando un polimero a cristalli liquidi (LCP) come materiale di materia prima FDM, i ricercatori sono stati in grado di riprodurre questo allineamento elevato. Inoltre, le proprietà delle fibre anisotropiche sono state utilizzate adattando l’orientamento locale del percorso di stampa in base alle condizioni di carico specifiche imposte dall’ambiente. Questo principio di progettazione si ispira alla capacità di vivere il tessuto come il legno per disporre le fibre lungo le linee di tensione sviluppate in tutta la struttura caricata man mano che cresce e si adatta al suo ambiente.
Campioni di campioni stampati in 3D con linee di stampa che seguono le linee di tensione e l’ispirazione biologica rappresentata da un nodo di legno.
Le strutture LCP stampate in 3D risultanti dimostrano architetture gerarchiche, geometrie complesse e rigidità e tenacità senza precedenti. In realtà, sono molto più potenti dei polimeri stampati 3D di ultima generazione, hanno affermato i ricercatori. “La capacità di combinare la libertà di modellazione top-down della stampa 3D con il controllo molecolare bottom-up sull’orientamento del polimero offre la possibilità di progettare e realizzare liberamente strutture senza le restrizioni tipiche degli attuali processi di produzione.”
Proprietà meccaniche e geometria complessa di laminati e parti LCP stampati in 3D. Tutte le immagini: ETH Zurigo
Ci si aspetta che la tecnologia diventi un punto di svolta in diverse applicazioni strutturali, biomediche e di raccolta dell’energia in cui sono richiesti materiali leggeri ad alte prestazioni. Poiché questa ricerca è stata condotta utilizzando un polimero facilmente disponibile e una stampante desktop commerciale, i ricercatori sperano che una più ampia produzione additiva e comunità open source possano adottare questo nuovo materiale e progettare e fabbricare digitalmente oggetti leggeri e complessi dagli LCP.
