Università della Pennsylvania: controllo della distribuzione dei difetti per guasti programmati
Chengyang Mo e Jordan R. Raney, del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Meccanica Applicata, Università della Pennsylvania , esplorano il ruolo dei difetti nelle proprietà meccaniche nella recente programmazione ” Programmazione spaziale delle distribuzioni di difetti per migliorare le caratteristiche di guasto del materiale “.
In questo studio, i ricercatori stanno abbracciando e studiando i difetti anziché evitarli, oltre a lavorare per migliorarli e controllarli. I difetti nella “metallurgia classica” possono alla fine determinare “cambiamenti nell’ordine di grandezza” per le proprietà meccaniche, mentre nella stampa 3D in metallo difetti come i bordi del grano possono aumentare la resistenza quando la propagazione della dislocazione è bloccata.
“Tuttavia, l’importanza dei difetti è molto più generale nell’ingegneria dei materiali”, affermano i ricercatori. “Ad esempio, i difetti sono vitali anche nei materiali naturali, dove vuoti e interfacce imperfette sono responsabili della produzione di eccellenti combinazioni di proprietà meccaniche quali rigidità, resistenza e tenacità in materiali che sono anche leggeri.”
Anche la natura offre spesso ispirazione, come nell’esempio della madreperla, una struttura laminata che si trova negli animali da conchiglia marina, offrendo una combinazione di materiale duro e morbido con “interfacce imperfette”. Nella stampa 3D, lo studio degli strati e l’uso di più materiali ha permesso un’ampia gamma di studi incentrati sui difetti e su come sono causati.
“Con la stampa 3D multimateriale è possibile migliorare la tenacità del materiale organizzando fasi morbide e rigide in architetture che imitano motivi naturali, come quello di conchiglia, madreperla e club dattilo Stomatopod”, spiegano i ricercatori. “Compositi bioispirati come polimeri rinforzati con fibra di vetro, polimeri rinforzati con allumina e fibra epossidica-carbonio sono stati sviluppati anche per i processi di stampa 3D in scrittura diretta”.
Quando si verificano guasti, i difetti possono guidare il processo, alterando un’area e migliorandone un’altra. Queste occorrenze non possono essere ignorate poiché offrono informazioni dettagliate su come perfezionare la stampa 3D e i processi di produzione additiva.
“Poiché sono i difetti piuttosto che gli accoppiamenti di materiali specifici a produrre le proprietà desiderate, i risultati di questo lavoro sono rilevanti per un’ampia gamma di processi di produzione additiva (FDM, DIW, SLS, ecc.) E materiali (polimeri, metalli, ceramica, e compositi) “, spiegano i ricercatori.
I ricercatori hanno stampato in 3D campioni con piega dentata a un bordo (SENB), dimostrando gli impatti dei difetti sulle proprietà dei guasti. Si sono concentrati sull’uso del PLA a causa della “tensione molto elevata del PDMS”.
Diversi campioni di PLA sono stati creati utilizzando una stampante 3D Makergear M2 e, per questo studio, i ricercatori hanno modificato i difetti, cambiando le loro proprietà e variando così i normali guasti. Ciascuno dei campioni stampati aveva due possibili modalità di rottura: frattura parallela ai filamenti o frattura perpendicolare ai filamenti.
“Organizzando questi difetti in un motivo geometrico ispirato a materiali naturali, abbiamo raggiunto meccanismi di indurimento (percorso di rottura intricato e carico misto a punta di crepa) paragonabili a quelli osservati nei materiali naturali e nei compositi bioispirati”, hanno concluso i ricercatori.
“Inoltre, variando spazialmente la distribuzione dei difetti (come osservato nei materiali naturali), in linea di principio si può ottimizzare per combinazioni massime di resistenza e tenacità. A differenza della ricerca precedente, incentrata sulla stampa 3D multimateriale, che è altamente specifica per materiali (ad esempio, il rapporto di rigidità tra i due materiali, l’adesione interfacciale, ecc.), Abbiamo dimostrato che la distribuzione dei difetti da sola può essere controllata per migliorare le caratteristiche di guasto anche nei sistemi monomateriale. Questi risultati sono quindi rilevanti per un’ampia varietà di sistemi di materiali e approcci additivi. “
Dati µCT per sei campioni (con angolo di inclinazione γ = 10◦). a) per ciascuno dei sei campioni la prova di frattura è stata interrotta in una delle sei posizioni indicate; (b) il tasso di rilascio di energia; (c) illustrazione dei piani di riferimento dei risultati µCT; (d) Ricostruzione 3D dei dati µCT nella regione frontale della fessura e sezioni YZ davanti alla parte anteriore originale della fessura. 
a) illustrazione di un processo di fabbricazione di additivi a base di estrusione con la sua distribuzione sistematica caratteristica dei difetti; l’inserto è un’immagine al microscopio che mostra la distribuzione dei difetti tra i filamenti all’interno di un piano perpendicolare ai filamenti; (b) Schema della struttura di Bouligand; (c) Schema delle prove sperimentali della curva dentata a un bordo (SENB), compresi i parametri geometrici dei campioni e le definizioni delle coordinate; (d) fotografie di campioni dopo il test, che mostrano simili superfici di frattura di due materiali diversi (PLA e PDMS) stampati con due diversi processi di additivo (FDM e DIW, rispettivamente); e) comportamento carico-spostamento dei campioni di PLA misurato durante le prove SENB; (f) resistenza alla frattura dei campioni di PLA; (g) Dissipazione di energia dei campioni di PLA. 
Schema degli orientamenti del filamento e delle immagini ottiche della superficie della frattura per campioni di tutti gli angoli di inclinazione: (a) 5◦, (b) 10◦, (c) 30◦ e (d) 45◦. La parte anteriore iniziale della crepa si trova a sinistra di ogni immagine. Le versioni ingrandite di queste immagini sono mostrate in Fig. S5 senza annotazioni