Ricercatori hanno sviluppato metamateriali in titanio prodotti con selective laser melting (SLM), progettati come reticoli bio‑ispirati in grado di assorbire più energia e con modalità di cedimento più controllate rispetto alle strutture metalliche convenzionali. Queste architetture reticolari imitano geometrie presenti in natura – ad esempio scheletri leggeri e strutture ossee – e combinano bassa densità, elevata resistenza specifica e un plateau di tensione stabile durante la deformazione, qualità fondamentali per applicazioni di assorbimento di energia.
Metamateriali meccanici e reticoli bio‑ispirati
I metamateriali meccanici sono strutture ingegnerizzate in cui la geometria conta quanto o più del materiale di base: cambiando celle unitarie, spessori e porosità, si possono ottenere combinazioni insolite di rigidità, resistenza, tenacità e capacità di assorbire energia. Le strutture bio‑ispirate in titanio seguono questo approccio, adottando reticoli gerarchici e gradienti interni che distribuiscono gli sforzi in modo più omogeneo, riducendo punti di concentrazione delle tensioni e ritardando il cedimento localizzato. In pratica, invece di collassare bruscamente, queste celle si deformano in modo progressivo, offrendo un plateau di stress più stabile durante la compressione, caratteristica ideale per elementi antiurto, crashbox e dispositivi di protezione.
Energia assorbita e comportamento a collasso
Il lavoro si inserisce in una linea di ricerca che mira a massimizzare la specific energy absorption (energia assorbita per unità di massa) mantenendo al tempo stesso una buona resistenza e stabilità di risposta. Studi recenti su metamateriali metallici bio‑ispirati mostrano che, integrando progettazione di materiale e architettura, si possono ottenere valori di assorbimento specifico molto elevati, con incrementi significativi rispetto a reticoli metallici tradizionali con porosità simile. Allo stesso modo, la resistenza di snervamento relativa cresce sensibilmente, mentre le oscillazioni di stress durante il plateau si riducono, rendendo la risposta meccanica più prevedibile e adatta a componenti che devono assorbire urti ripetuti senza crolli improvvisi.
Il ruolo della stampa 3D SLM nel titanio
La stampa 3D SLM del titanio permette di realizzare reticoli complessi con spessori sottili e porosità controllata, impossibili da ottenere con tecniche sottrattive o di fusione tradizionali. La possibilità di stampare strutture interne complesse consente di introdurre gradienti di densità (aree più compatte e aree più leggere) e geometrie bio‑ispirate, ottimizzando la distribuzione delle tensioni e il percorso di collasso sotto carico. In combinazione con modelli numerici avanzati e ottimizzazione topologica, la SLM rende praticabile la produzione di metamateriali metallici personalizzati per singole applicazioni, dall’automotive alla robotica morbida fino ai dispositivi biomedicali, dove la combinazione tra leggerezza e assorbimento di energia è determinante.
Applicazioni potenziali: dall’automotive ai dispositivi di protezione
Metamateriali in titanio con elevata capacità di assorbimento di energia possono trovare impiego in componenti strutturali leggeri per automotive, crashbox, elementi di assorbimento d’urto per veicoli elettrici e droni, nonché in sistemi di protezione per l’industria e lo sport. La stabilità del plateau di stress e la capacità di collassare in modo graduale li rendono interessanti anche per robotica e dispositivi “soft” con parti deformabili, dove è importante dissipare energia senza danni strutturali immediati. L’uso del titanio introduce inoltre vantaggi in termini di resistenza alla corrosione e rapporto resistenza/peso, aprendo la strada a componenti longevi e riutilizzabili in ambienti ostili o in applicazioni ad alto ciclo di carico.
