RMIT fa galleggiare una lattice in Ti-6Al-4V anche dopo la frattura di un intero strato

Non è il titanio pieno a galleggiare: RMIT ha progettato una struttura ibrida Ti-6Al-4V e poliuretano
Un gruppo di ricercatori della RMIT University di Melbourne ha sviluppato un metamateriale ibrido nel quale una lattice metallica stampata in 3D in Ti-6Al-4V riesce a galleggiare nell’acqua pur mantenendo una struttura esterna completamente open-cell. Il risultato può sembrare controintuitivo: il titanio Ti-6Al-4V utilizzato nello studio possiede una densità di circa 4,43 g/cm³, oltre quattro volte quella dell’acqua, e una normale lattice metallica aperta viene rapidamente invasa dal liquido e affonda. La soluzione progettata da Jordan Noronha, Ma Qian e colleghi consiste nell’utilizzare struts metallici cavi, realizzati tramite Laser Powder Bed Fusion, e riempire soltanto i minuscoli canali interni delle barre con una schiuma poliuretanica espandente a celle chiuse. L’acqua rimane così libera di attraversare gli ampi spazi della lattice, mentre non può penetrare nei canali interni sigillati delle barre, dove la schiuma trattiene gas e genera il volume necessario alla galleggiabilità. Il risultato non è quindi “titanio con densità inferiore all’acqua” nel significato tradizionale, ma un materiale architettato metal-polimero nel quale forma, porosità e distribuzione delle fasi vengono progettate per separare funzione strutturale e funzione di galleggiamento. Lo studio, intitolato Breaking the Surface: Buoyant Metal–Polymer Open–Cell Hybrid Lattice Metamaterials, è stato pubblicato il 28 agosto 2026 su Advanced Materials ed è stato condotto dal Centre for Additive Manufacturing della RMIT University insieme al PIMM Laboratory del Conservatoire National des Arts et Métiers di Parigi.

Il vero problema delle lattice metalliche leggere è che la normale densità apparente non permette di prevedere se galleggeranno
Una lattice può contenere pochissimo metallo rispetto al volume esterno che occupa. In alcuni casi la sua bulk density, calcolata dividendo la massa per l’intero volume geometrico comprendente tutti gli spazi vuoti, può scendere addirittura sotto un decimo della densità dell’acqua. Questo non significa però che galleggi. Se le celle sono aperte, il liquido entra immediatamente negli spazi e questi volumi non contribuiscono più allo spostamento d’acqua necessario secondo il principio di Archimede. Lo stesso problema interessa i canali interni degli hollow struts: per eliminare la polvere non fusa dopo LPBF devono inizialmente essere collegati all’ambiente esterno e, se lasciati aperti, vengono riempiti d’acqua. I ricercatori hanno quindi introdotto una grandezza diversa dalla normale bulk density, definita skeletal density. Nel calcolo vengono esclusi tutti i volumi direttamente accessibili al liquido e vengono considerati soltanto massa e volume dello “scheletro” che l’acqua non può occupare. Una struttura galleggia quando questa skeletal density rimane inferiore alla densità del liquido circostante. È un concetto importante perché trasforma la galleggiabilità da risultato ottenuto empiricamente in un parametro che può essere progettato già nel CAD.

Con gli hollow struts aperti la skeletal density rimane quella del Ti-6Al-4V: circa 4,43 g/cm³
Prima del riempimento, i canali interni degli struts comunicano con l’esterno per consentire la rimozione della polvere. Il volume vuoto al loro interno non può quindi essere conteggiato come volume di galleggiamento perché l’acqua vi entra. In questa condizione la skeletal density coincide essenzialmente con quella del titanio e tutti i campioni non riempiti affondano. Nei test era possibile osservare l’aria uscire sotto forma di bolle mentre il liquido penetrava nei canali. L’iniezione di schiuma poliuretanica cambia radicalmente il sistema: gli stessi canali diventano volumi sigillati contenenti un materiale estremamente leggero e la loro massa e il loro volume entrano quindi nel calcolo della skeletal density. La topologia open-cell esterna non cambia: l’acqua continua ad attraversare liberamente la lattice, mentre il volume utile alla galleggiabilità rimane protetto dentro le singole barre.

RMIT ha costruito quattro geometrie controllando il diametro interno delle barre
Per verificare quantitativamente il modello, il team ha utilizzato lattice cubiche 4 × 4 × 4 con celle da 10 mm, parete degli hollow struts di appena 0,2 mm e quattro diversi diametri dei canali interni: 2,5, 3,0, 3,5 e 4,0 mm. Modificando esclusivamente questo parametro aumentava progressivamente la quantità di volume interno disponibile per la schiuma e diminuiva la skeletal density prevista. I valori CAD passavano da 1,17 g/cm³ per il canale da 2,5 mm a 0,98, 0,86 e infine 0,75 g/cm³ con il canale da 4 mm. Le misure sui componenti reali erano leggermente superiori – rispettivamente circa 1,27, 1,06, 0,92 e 0,80 g/cm³ – principalmente a causa delle inevitabili differenze dimensionali introdotte dal processo PBF-LB. Il risultato sperimentale ha seguito correttamente il modello: le strutture con skeletal density superiore alla densità dell’acqua affondavano, mentre quelle da 3,5 e 4 mm, rimaste sotto il limite, galleggiavano.

La stampa è stata eseguita su una SLM Solutions 280HL con Ti-6Al-4V gas atomizzato
Lo studio fornisce una quantità insolitamente precisa di dettagli sul processo AM. I campioni e la boa dimostrativa sono stati prodotti con una SLM Solutions 280HL utilizzando polvere sferica di Ti-6Al-4V gas atomizzata fornita da SLM Solutions. La granulometria riportata è Dv10 di 30,0 µm, Dv50 di 44,6 µm e Dv90 di 66,2 µm. I parametri principali utilizzati sono 100 W di potenza laser, 750 mm/s di scan speed, spot laser da 80 µm, focus offset pari a zero e layer thickness di 30 µm. Questi parametri appartengono precisamente all’esperimento RMIT e non rappresentano naturalmente una ricetta universale per Ti-6Al-4V: geometria, macchina, powder batch e strategia di scansione influenzano il processo. Il dato interessante è la capacità di produrre pareti nominali da soli 0,2 mm contenenti contemporaneamente canali millimetrici interconnessi.

La geometria è stata orientata appositamente per evitare struts orizzontali problematici
I campioni e il dimostratore sono stati ruotati di 45° lungo X e successivamente di 35,3° lungo Y. In questo modo le barre cave assumevano inclinazioni di circa 35,3° rispetto alla piattaforma, evitando elementi completamente orizzontali. I ricercatori avevano già studiato negli anni precedenti i limiti di manufacturability degli hollow struts in Ti-6Al-4V e sapevano che le campate orizzontali previste, comprese indicativamente tra 5,6 e 7,1 mm, avrebbero superato il safe unsupported span di circa 3-4 mm individuato per queste sottilissime geometrie. La libertà del design lattice non elimina quindi le regole DfAM: il componente apparentemente leggerissimo dipende da un’attenta scelta di orientamento, wall thickness e dimensione dei canali.

Il canale non può scendere indefinitamente di dimensione
Dal lavoro precedente del gruppo e dalle prove di infiltrazione emerge un limite molto interessante: circa 0,7 mm rappresenta il diametro minimo indicato dagli autori per consentire contemporaneamente una rimozione affidabile della polvere e l’ingresso della schiuma PU nelle condizioni considerate. Questo apre la possibilità di produrre in futuro celle molto più piccole rispetto ai campioni da 10 mm, ma rende evidente il principale collo di bottiglia della tecnologia. Una barra cava perfettamente stampabile non serve se la polvere rimane intrappolata al suo interno; allo stesso modo, un canale pulito non genera galleggiabilità se la schiuma non riesce a raggiungere ogni regione. µCT industriale, aria pressurizzata, ultrasonic cleaning, dry-ice blasting e altre tecniche di depowdering diventano quindi parti essenziali del futuro workflow.

La schiuma viene inserita dopo la stampa e non riempie gli spazi aperti della lattice
Questo è forse il dettaglio che distingue maggiormente il concetto RMIT da una normale struttura metallica inglobata in foam. Il poliuretano viene iniettato dentro gli hollow struts, non tra una barra e l’altra. La lattice continua quindi a essere permeabile: acqua o aria possono attraversarla e gran parte della superficie metallica rimane accessibile. I ricercatori hanno utilizzato una schiuma PU espandente commerciale Parfix. L’iniezione proseguiva fino alla fuoriuscita del materiale dall’apertura opposta; le estremità venivano quindi chiuse per circa 1,5 minuti per favorire l’espansione nei canali, riaperte per eliminare l’eccesso e infine il sistema veniva lasciato polimerizzare per 48 ore. Il fatto che il proof of concept sia stato realizzato in aria, senza un sistema sottovuoto, è interessante in prospettiva di scale-up, anche se gli stessi autori riconoscono che geometrie più grandi potrebbero richiedere strategie di infiltrazione più sofisticate.

La schiuma libera può espandersi molto di più rispetto a quella intrappolata nelle barre
In condizioni aperte un prodotto PU espandente di questo tipo può raggiungere rapporti volumetrici dell’ordine di 1:25. Dentro gli stretti canali metallici l’espansione viene invece limitata fisicamente e nello studio scende indicativamente tra 1:8,5 e 1:12,4. I valori misurati di densità del foam interno variano da circa 0,112 g/cm³ nel canale da 2,5 mm fino a 0,077 g/cm³ nel canale da 4 mm. Questa maggiore densità non rappresenta necessariamente uno svantaggio. Gli autori osservano che una schiuma più compatta contiene celle più piccole e può limitare maggiormente l’ingresso d’acqua quando la struttura metallica subisce una cricca. Il poliuretano non viene quindi scelto soltanto perché è leggero, ma perché produce una rete di celle chiuse distribuite lungo l’intero scheletro.

Il foam aumenta la massa soltanto del 5,9-7,3% e quasi non modifica la resistenza
La funzione strutturale rimane affidata prevalentemente al titanio. I campioni ibridi hanno mostrato un aumento della bulk density di circa il 5,9-7,3% rispetto agli hollow-strut non riempiti, mentre yield strength, ultimate compressive strength e modulo elastico crescevano solo di pochi punti percentuali. In media i campioni ibridi hanno raggiunto circa 10,8 ±0,3 MPa di yield strength, 12,4 ±0,3 MPa di ultimate compressive strength e 567,9 ±10,6 MPa di elastic modulus, con densità apparente comprese approssimativamente tra 0,27 e 0,32 g/cm³. Il foam non viene quindi utilizzato come principale rinforzo meccanico: aggiunge la funzione di galleggiamento mentre il framework Ti-6Al-4V continua a controllare la risposta al carico. È una separazione funzionale molto interessante perché permette, almeno concettualmente, di modificare la fase interna senza dover ridisegnare completamente lo scheletro strutturale.

Il comunicato parla di un materiale circa 70% più resistente, ma il paper permette di leggere meglio il confronto
RMIT sintetizza il risultato affermando che la struttura è circa il 70% più resistente dell’acciaio inox o dell’HDPE utilizzati in applicazioni marine. Il paper presenta il confronto in maniera più precisa. Alla stessa bulk density di circa 0,27 g/cm³, la configurazione ibrida più leggera raggiunge una yield strength di 10,3 ±0,04 MPa. Attraverso il confronto a densità equivalente utilizzato dagli autori, HDPE raggiungerebbe circa 5,5 MPa e SS316L circa 6,9 MPa. Questo significa rispettivamente un vantaggio nell’ordine dell’87% rispetto all’HDPE e del 49% rispetto al 316L nel metodo di normalizzazione adottato. Il “70% stronger” del comunicato va quindi considerato una sintesi divulgativa della maggiore efficienza strutturale, non una proprietà universale secondo cui qualsiasi oggetto in questo metamateriale sarebbe sempre esattamente il 70% più resistente di una boa in acciaio o plastica.

Il confronto non significa nemmeno che 10 MPa siano più di 205 MPa dell’acciaio pieno
L’acciaio 316L bulk utilizzato come riferimento possiede una yield strength dell’ordine di 205 MPa e il Ti-6Al-4V pieno prodotto dai ricercatori raggiunge circa 1.148 ±16 MPa in compressione. La lattice ibrida, invece, raggiunge circa 10 MPa perché contiene oltre il 90% di volume non metallico. Il vantaggio emerge quando si confrontano strutture progettate per avere la stessa densità molto bassa, cioè quando conta quanta resistenza si ottiene per unità di peso. È quindi più corretto parlare di specific strength superiore e non di titanio galleggiante “più resistente dell’acciaio” senza qualificazioni.

Il Ti-6Al-4V pieno stampato nella stessa macchina ha raggiunto 1.148 MPa di yield strength
Per rendere il confronto più controllato, gli autori hanno stampato anche cilindri bulk da 8 mm di diametro e 12 mm di altezza con gli stessi parametri PBF-LB utilizzati per gli hollow struts. Le prove di compressione secondo ASTM E9-19 hanno prodotto una compressive yield strength media di 1.148 ±16 MPa alla densità di 4,43 g/cm³. È questo elevato rapporto strength-to-density della lega di base che permette alla lattice di mantenere una capacità strutturale significativa pur utilizzando soltanto una piccola frazione di metallo.

Il test in acqua dolce è durato oltre due mesi
Le configurazioni progettate per galleggiare sono state lasciate in freshwater con densità misurata di 0,997 g/cm³ per oltre due mesi e hanno mantenuto la galleggiabilità. I campioni non riempiti e quelli ibridi con skeletal density ancora superiore all’acqua sono invece affondati, coerentemente con il modello. Questo test è particolarmente importante perché mostra che non si tratta di una bolla d’aria intrappolata accidentalmente per alcuni minuti: la fase PU riesce effettivamente a impedire l’allagamento dei canali su un periodo più lungo. Due mesi rimangono tuttavia pochissimi rispetto alla vita utile richiesta a una boa, piattaforma offshore o sensore oceanografico, che può essere esposto all’ambiente marino per anni.

L’assorbimento misurato dopo 24 ore non indicava un allagamento interno
Seguendo ASTM C272, i ricercatori hanno immerso i campioni per 24 ore. Pesati immediatamente dopo l’estrazione presentavano un aumento di massa del 4,7 ±0,9%, che scendeva a 1,5 ±0,8% dopo oltre 60 secondi di drenaggio. Gli autori attribuiscono gran parte del fenomeno all’acqua trattenuta sulla superficie ruvida tipica del PBF-LB as-built. Se l’acqua avesse riempito realmente i canali interni, l’aumento sarebbe stato molto maggiore. Questo è un altro esempio nel quale la semplice pesata del componente deve essere interpretata insieme alla geometria e al volume disponibile.

Il test di corrosione utilizza vera acqua di mare di Port Phillip Bay, ma dura soltanto due settimane
Per valutare il comportamento in un ambiente più realistico, i campioni sono stati immersi per due settimane in seawater naturale proveniente da Port Phillip Bay, nello stato australiano di Victoria, con densità misurata di circa 1,03 g/cm³. La perdita di massa media è stata soltanto 0,15 ±0,03%. Dopo l’immersione la yield strength era diminuita mediamente dello 0,37 ±0,12% e l’ultimate compressive strength dello 0,86 ±0,42% rispetto ai campioni equivalenti non esposti. I dati sono coerenti con l’eccellente resistenza alla corrosione marina del Ti-6Al-4V, ma non rappresentano un test di durabilità offshore. Due settimane non riproducono anni di immersione, marine fouling, cicli di bagnato/asciutto, esposizione UV della schiuma, variazioni di temperatura, impatti, galvanic coupling con altri metalli o milioni di cicli di onda.

Il risultato più sorprendente è che una cricca non provoca l’affondamento immediato
Le normali strutture galleggianti basate su un grande volume cavo possiedono un punto debole intuitivo: una perforazione può consentire all’acqua di entrare nello spazio che forniva galleggiabilità e provocare una perdita progressiva di buoyancy. Nel sistema RMIT il volume galleggiante viene invece distribuito all’interno di una rete di sottilissimi canali pieni di foam a celle chiuse. I ricercatori hanno compresso intenzionalmente i campioni galleggianti e verificato la buoyancy a diversi livelli di danno: oltrepassamento dell’ultimate compressive strength, prima frattura dei nodi, creazione di un percorso continuo di rottura e infine densificazione della struttura. I campioni continuavano a galleggiare anche dopo deformazione dei nodi e frattura completa di un intero layer.

Il sistema affonda soltanto quando la lattice viene fortemente schiacciata e densificata
Questa resistenza al danno non è infinita. Quando la compressione raggiunge la fase di densification, il volume occupato dalla struttura diminuisce così tanto che la skeletal density supera nuovamente quella dell’acqua. Nei campioni con canale interno da 3,5 e 4 mm la densificazione iniziava indicativamente dopo strain rispettivamente di 33,4% e 37,2%. A quel punto i campioni cominciavano progressivamente ad affondare. È un comportamento importante perché rende il claim “floats even after severe damage” tecnicamente corretto ma non assoluto: il materiale tollera rotture importanti finché rimane sufficiente volume sigillato per rispettare la condizione di densità.

La rottura in compressione parte soprattutto dai nodi e dai punti di ingresso del foam
Le prove meccaniche e le simulazioni FEM hanno mostrato una modalità di cedimento abbastanza coerente tra le diverse configurazioni. Dopo lo snervamento si sviluppavano concentrazioni di stress nei nodi; le prime cricche apparivano spesso presso gli inlet utilizzati per l’iniezione della schiuma e successivamente si propagavano lungo piani di circa 45°. Il failure onset avveniva mediamente a circa il 5% di engineering strain. Lo studio osserva che le barre non cedono principalmente per buckling: i rapporti lunghezza/diametro, compresi indicativamente tra 2,27 e 3,45, rimangono sotto la regione nella quale il buckling inelastico diventerebbe dominante per questa lattice semplice. La risposta è invece controllata soprattutto dalla deformazione e successiva frattura dei nodi.

Il dimostratore finale è una vera piccola boa stampata in 3D, ma misura soltanto 100 × 85 mm
Per dimostrare che il principio potesse essere applicato a una geometria diversa dai cubetti di laboratorio, RMIT ha progettato una piccola marine buoy alta 100 mm e larga 85 mm. La struttura comprende una shell open-cell verticalmente simmetrica, ribs portanti integrate e hollow struts con wall thickness nominale di 0,2 mm e canale interno da 4 mm. Tutti i canali comunicano tra loro in modo da poter eliminare la polvere non fusa usando aria compressa prima dell’iniezione del poliuretano. Il diametro delle aperture è stato mantenuto superiore al limite di 0,7 mm identificato per depowdering e infiltration. Si tratta quindi di un dimostratore applicativo più sofisticato dei provini cubici, ma rimane un oggetto di appena dieci centimetri e non una boa portuale full-scale.

La piccola boa ha galleggiato anche in acqua marina agitata artificialmente
Il dimostratore è stato immerso nell’acqua naturale di Port Phillip Bay e sottoposto a oscillazioni orizzontali periodiche. La corrente generata faceva ruotare la struttura fino a circa 45° rispetto al proprio asse centrale, ma il campione rimaneva stabile e galleggiante. Non erano presenti un guscio esterno sigillato, un rivestimento impermeabile o ulteriori elementi di flotation. È una prova interessante perché dimostra il principio anche in condizioni dinamiche e con una geometria applicativa, ma non equivale a una prova offshore. Onde irregolari, correnti, impatti, pressione idrostatica e fatica richiederanno campagne molto più severe.

La struttura open-cell potrebbe offrire vantaggi che una normale boa piena di schiuma non possiede
Se il solo obiettivo fosse far galleggiare un oggetto, esistono naturalmente soluzioni molto più semplici ed economiche del Ti-6Al-4V LPBF. HDPE rotostampato, foam, fiberglass e strutture metalliche cave sono utilizzati da decenni. Il vantaggio potenziale del concetto RMIT emerge quando serve contemporaneamente una struttura resistente, permeabile, leggera e capace di mantenere funzionalità dopo il danno. L’acqua può attraversare la lattice invece di essere costretta ad aggirare una grande superficie piena; la struttura può offrire molta superficie esposta e integrare sensori, scambiatori, elementi dissipativi o altre funzioni. È quindi più corretto pensare a un metamateriale marino multifunzionale che a un sostituto immediato delle normali boe economiche.

Il costo del Ti-6Al-4V LPBF rappresenta uno dei principali ostacoli economici
Una boa HDPE convenzionale può essere prodotta con processi industriali estremamente economici. Costruire la stessa quantità di volume con Ti-6Al-4V atomizzato e PBF-LB comporta un costo enormemente superiore. Il valore del metamateriale dovrebbe quindi derivare da applicazioni nelle quali lightweighting, resistenza, tolleranza al danno, geometria complessa o multifunzionalità giustifichino il prezzo. Sensori offshore critici, robotica marina, strutture di ricerca oceanografica, defence, sistemi submersible e componenti nei quali un cedimento avrebbe conseguenze molto costose appaiono scenari più realistici rispetto alla sostituzione di una normale boa di segnalazione in plastica. Gli autori non hanno pubblicato un’analisi economica né un costo per chilogrammo o per unità.

Il problema del depowdering diventa molto più serio aumentando le dimensioni
Nel provino e nella piccola boa tutti i canali erano interconnessi e il materiale residuo poteva essere evacuato. In una struttura di un metro, con una rete molto più lunga e numerosi cambi di direzione, la probabilità che rimangano particelle non fuse aumenta. La polvere intrappolata introduce tre problemi contemporaneamente: aggiunge massa inutile riducendo la galleggiabilità, può bloccare la successiva infiltrazione del foam e genera variazioni imprevedibili tra un componente e l’altro. Gli autori indicano industrial µCT come possibile strumento di verifica non distruttiva e citano aria pressurizzata, dry-ice blasting, ultrasuoni e vacuum boiling tra le tecniche di pulizia possibili. La scalabilità dipenderà quindi dalla possibilità di progettare contemporaneamente la lattice e i percorsi di depowdering.

Anche il poliuretano dovrà raggiungere uniformemente ogni canale di una struttura grande
L’infiltrazione eseguita in aria ha funzionato sui campioni 4 × 4 × 4 e sulla boa da 100 mm. Una rete grande può invece produrre sacche d’aria, regioni non riempite e variazioni della densità del foam. Poiché la buoyancy dipende precisamente dal volume interno isolato dall’acqua, anche una piccola percentuale di canali incompletamente riempiti può diventare importante. RMIT indica come possibili soluzioni più injection ports, serbatoi di schiuma più grandi, vacuum-assisted infiltration e simulazioni CFD capaci di prevedere il percorso del materiale espandente. La formula della skeletal density può essere indipendente dalla scala dal punto di vista fisico, ma la fabbricazione non lo è.

La pressione dell’acqua in profondità rappresenta un’altra domanda ancora aperta
Il comunicato cita anche possibili applicazioni submersible e deep-sea, ma lo studio non dimostra ancora il comportamento del materiale a grandi profondità. Una schiuma a celle chiuse sottoposta a elevata pressione idrostatica può comprimersi e modificarne il volume; l’interfaccia foam-titanium e le sottilissime pareti da 0,2 mm devono inoltre sopportare una condizione di pressione molto diversa dalla galleggiabilità superficiale. Le prove riportate sono state effettuate sostanzialmente alla pressione atmosferica. Prima di utilizzare l’architettura in veicoli subacquei o strumentazione profonda serviranno pressure-vessel tests e caratterizzazione del foam sotto compressione idrostatica prolungata.

Biofouling e crescita marina potrebbero modificare proprio la variabile più importante: la massa
Una lattice open-cell immersa per anni potrebbe essere colonizzata da alghe, molluschi e altri organismi. Il biofouling aggiunge massa senza aumentare necessariamente in modo equivalente il volume sigillato e può quindi modificare la skeletal/buoyant balance. Può inoltre bloccare progressivamente gli spazi aperti attraverso i quali il fluido dovrebbe attraversare la struttura. Il titanio possiede ottima resistenza alla corrosione marina ma non impedisce automaticamente la colonizzazione biologica. Questo è un altro motivo per cui due settimane di seawater exposure e due mesi di freshwater flotation rappresentano prove iniziali e non una qualifica.

La storia del progetto inizia diversi anni prima del “titanio galleggiante”
Jordan Noronha, Ma Qian, Martin Leary, Milan Brandt e altri ricercatori RMIT lavorano almeno dal 2021-2023 sulla manufacturability e sulle proprietà delle hollow-strut lattices in Ti-6Al-4V. Nel 2023 il gruppo pubblicò su Additive Manufacturing uno studio dedicato a FCC e FCCZ hollow-strut lattices con densità relative dell’8-16%, dimostrando che questa architettura poteva raggiungere proprietà meccaniche molto elevate rispetto alle normali lattice con solid struts. Nel 2024 lo stesso filone portò ai Titanium Multi-Topology Metamaterials, nei quali sottili plate lattices venivano integrate all’interno degli hollow struts per ridistribuire gli stress. Il lavoro del 2026 utilizza quindi un’architettura che era stata prima sviluppata come soluzione lightweight e la trasforma in un componente multifunzionale usando il canale interno come volume per una seconda fase materiale.

Questa possibilità di utilizzare l’interno dello strut è forse più interessante della boa stessa
Una normale lattice metallica viene progettata principalmente modificando diametro delle barre e forma della cella. Una hollow-strut lattice introduce un ulteriore spazio progettuale: l’interno della barra può ospitare un secondo materiale o una seconda funzione. In questo studio è poliuretano leggero per la buoyancy, ma Ma Qian sottolinea che la fase interna potrebbe essere modificata per altri obiettivi. Materiali dissipativi potrebbero aumentare energy absorption, fasi ad alta capacità termica potrebbero contribuire al thermal management, polimeri viscoelastici potrebbero ridurre vibrazioni e altri filler potrebbero modificare proprietà acustiche o elettromagnetiche. Il titanio continua a fornire lo scheletro resistente mentre il canale diventa una sorta di infrastruttura funzionale incorporata.

Il concetto di skeletal density potrebbe essere utilizzato anche con metalli e liquidi differenti
La relazione proposta non è specifica del Ti-6Al-4V né dell’acqua. La condizione generale è che la densità dello scheletro effettivamente impermeabile rimanga inferiore a quella del fluido nel quale deve operare. Cambiando lega, filler, wall thickness e geometria dei canali è teoricamente possibile progettare strutture per liquidi con densità differenti o persino controllare il livello di galleggiamento. Questo aspetto può risultare interessante in robotica marina e sensori, dove una struttura neutrally buoyant o leggermente positiva può essere preferibile a una semplice boa molto galleggiante.

La produzione additiva è necessaria soprattutto perché pareti da 0,2 mm e canali interconnessi sarebbero estremamente difficili da costruire convenzionalmente
Il concetto non dipende dal fatto che “3D printing sia moderno”, ma dalla geometria. Ogni barra deve essere contemporaneamente cava, sottile, interconnessa con numerosi nodi e parte di una struttura tridimensionale permeabile. Produrre questa rete attraverso assemblaggio di tubicini o saldatura tradizionale diventerebbe rapidamente impraticabile, soprattutto scendendo verso aperture inferiori al millimetro. PBF-LB costruisce shell e nodi all’interno dello stesso ciclo e il letto di polvere sostiene molte delle geometrie durante la fabbricazione. È precisamente uno dei casi nei quali l’Additive Manufacturing permette non soltanto di ridurre il numero dei componenti, ma di creare un’architettura materiale che sarebbe molto difficile definire con le categorie tradizionali di “pezzo pieno” e “pezzo cavo”.

Prima di parlare di infrastrutture marine rimangono però anni di validazione
Il prossimo programma indicato dal gruppo comprende scale-up e test a lungo termine in condizioni marine e deep-sea realistiche. Serviranno fatigue testing sotto carichi ciclici, corrosione per mesi e anni, biofouling, impatti ripetuti, shock, UV, temperature variabili, degrado del PU, high-pressure testing, verifiche dell’interfaccia dopo migliaia di cicli e metodi NDT capaci di dimostrare che ogni canale sia correttamente pulito e riempito. Dovranno inoltre essere stabilite procedure di repair e inspection: una delle caratteristiche del materiale è continuare a galleggiare dopo il danno, ma un operatore deve poter capire quando la struttura ha superato il limite accettabile e deve essere sostituita.

Anche il dato della corrosione deve essere mantenuto nel contesto corretto
Lo 0,15% di perdita di massa e la diminuzione inferiore all’1% della resistenza dopo due settimane sono risultati positivi, ma il Ti-6Al-4V era già noto per la sua elevata resistenza alla corrosione in acqua marina. L’innovazione dello studio non consiste quindi nell’avere scoperto che il titanio resiste al mare. Il contributo nuovo è combinare questa proprietà con una struttura open-cell a bassissima densità e un sistema distribuito di buoyancy capace di continuare a funzionare anche quando la lattice metallica è parzialmente fratturata.

Il “world-first” riguarda quindi una categoria molto specifica di metamateriali
RMIT descrive il lavoro come la prima dimostrazione riportata di un buoyant metal-polymer open-cell hybrid lattice metamaterial. Questa formulazione è molto più precisa di “primo metallo che galleggia”: esistono da tempo schiume metalliche, hollow structures e componenti metallici capaci di galleggiare grazie all’aria intrappolata. La novità rivendicata dagli autori è mantenere contemporaneamente una rete esterna open-cell permeabile, uno scheletro portante metallico, canali interni riempiti di foam e galleggiabilità controllabile attraverso la nuova skeletal-density equation.

Il risultato più interessante è proprio la separazione tra ciò che porta il carico e ciò che fa galleggiare il materiale
Il titanium framework può essere ottimizzato per sopportare il carico; il foam può essere scelto per mantenere la buoyancy; la porosità esterna può rimanere disponibile per far attraversare il fluido o aggiungere altre funzioni. Modificare una funzione non richiede necessariamente di sacrificare completamente le altre. È la logica fondamentale dei metamateriali architected: le proprietà del sistema non dipendono soltanto dalla composizione chimica ma anche da come materia e spazio sono organizzati. In questo caso la stampa 3D porta il concetto a un livello ulteriore perché anche l’interno delle singole barre diventa parte dell’architettura.

Per ora quindi non avremo boe portuali in titanio stampato, ma il lavoro apre un interessante nuovo campo per strutture marine ad alte prestazioni
La scelta del Ti-6Al-4V rende improbabile che il primo mercato sia quello delle normali boe economiche in HDPE. Il concetto potrebbe diventare molto più interessante dove il costo della struttura è secondario rispetto a robustezza, massa, sopravvivenza dopo il danno o possibilità di integrare più funzioni nello stesso componente: strumentazione oceanografica, sensori, offshore energy, robotica marina, defence, veicoli autonomi e sistemi per ambienti estremi. Il dimostratore RMIT da 100 × 85 mm è ancora molto distante da queste applicazioni, ma ha dimostrato tre elementi essenziali: la galleggiabilità può essere prevista geometricamente, il materiale rimane a galla per periodi prolungati e può continuare a farlo anche dopo una frattura importante. Il prossimo ostacolo non è quindi dimostrare che il principio fisico funziona, ma verificare che depowdering, foam infiltration, durata e costo possano essere trasferiti dalle strutture da laboratorio a componenti marine realmente utilizzabili.

Studio RMIT – dati principali

Il paper scientifico conferma Ti-6Al-4V, polyurethane, PBF-LB, la nuova skeletal-density framework e il dimostratore in acqua marina.

Stampante e parametri realmente utilizzati

Questi sono i parametri dello studio, non specifiche generiche della SLM 280HL.

Geometrie sperimentali

Le due configurazioni sperimentali sotto la densità dell’acqua sono quelle che hanno mostrato galleggiabilità stabile.

Skeletal density vs bulk density

La skeletal density è la vera novità metodologica proposta dagli autori.

Poliuretano dentro gli hollow struts

Il confinamento nei canali limita l’espansione della schiuma e crea una struttura più densa rispetto all’espansione libera.

Procedura di riempimento PU

La schiuma impiegata nello studio è una PU espandente commerciale Parfix.

Proprietà meccaniche delle lattice ibride

Il foam fornisce soprattutto buoyancy; il titanio rimane il principale load-bearing skeleton.

Confronto a pari densità

Il “70% stronger” utilizzato nel comunicato RMIT è una sintesi divulgativa; il paper fornisce questi valori specifici a densità equivalente.

Materiali bulk – confronto da non confondere con la lattice

La lattice non è “più forte dell’acciaio pieno”: il vantaggio riguarda la specific strength a pari bassissima densità.

Test in acqua

Test in acqua marina

Il test è incoraggiante ma troppo breve per essere considerato una qualifica marina a lungo termine.

Damage-tolerant flotation

La perdita della buoyancy arriva quando la compressione riduce il volume a sufficienza da far superare alla skeletal density la densità dell’acqua.

Strain alla densificazione

Boa dimostrativa

Il limite di circa 0,7 mm

Cosa è dimostrato e cosa no

Principali problemi di scale-up identificati dagli autori

Gli autori sottolineano che il criterio fisico della skeletal density è scalabile, ma la fabbricazione diventa progressivamente più difficile aumentando le dimensioni.

Evoluzione della ricerca RMIT sulle hollow-strut lattices