Stampate in 3D nuove strutture biomimetiche resistenti agli urti ispirate alle seppie

I ricercatori della Chinese Zhejiang University hanno sviluppato una serie di nuove strutture biomimetiche simili a cellule con capacità uniche di assorbimento dell’energia.

Ispirati dallo scheletro rigido ma flessibile della seppia, i modelli stampati in 3D degli scienziati si sono dimostrati ultra resistenti alla compressione e in grado di sopportare una deformazione fino a 20.000 volte il proprio peso. In futuro, il team ritiene che il loro design potrebbe essere replicato altrove per sviluppare nuovi materiali leggeri a prova di impatto, con applicazioni che vanno dalle costruzioni aerospaziali alla placcatura di armature.

“Con le migliori prestazioni, i materiali cellulari simili all’osso di seppia sono un candidato eccezionale per applicazioni in molti campi come aeromobili, giubbotti antiproiettile, veicoli leggeri e materiali da costruzione”, hanno affermato gli scienziati nel loro articolo. “Forniscono un nuovo design biologico per una struttura cellulare meccanicamente efficiente, al di là dei convenzionali metamateriali meccanici”.

Il mondo naturale è pieno di esempi di materiali come il bambù, il legno di balsa e alcune ossa di animali, che sono ultraleggeri ma caratterizzati da strutture cellulari estremamente resistenti. In termini di rigidità, però, la seppia possiede uno scheletro poroso particolarmente straordinario, che è in grado di resistere a enormi livelli di pressione idrostatica in ambienti di acque profonde, cambiando la sua galleggiabilità a diverse profondità.

Nel tentativo di identificare la fonte precisa delle capacità di deformazione della seppia, gli scienziati hanno quindi deciso di eseguire scansioni micro-TC di un campione di osso di seppia. Sotto compressione, il team ha scoperto che il campione si è fratturato successivamente da uno strato all’altro, ma quando quelli superiori sono stati danneggiati, i suoi strati inferiori sono rimasti intatti, in un meccanismo progettato per proteggere le seppie dagli attacchi predatori.

Ancora più importante, i ricercatori hanno anche scoperto il ruolo del minerale aragonite presente in natura nel meccanismo di difesa della creatura marina, così come la sua struttura a lamelle a forma di S. Utilizzando queste informazioni in esperimenti successivi, il team ha iniziato a stampare in 3D materiali cellulari con un’architettura a osso di seppia, che imitava al meglio sia la forma che la formazione dell’articolo originale.

Per valutare la meccanica dell’osso di seppia in modo più approfondito, gli scienziati hanno stampato in 3D cinque layout biomimetici: un reticolo a traliccio di ottetti, schiuma kelvin, struttura gyroid, sandwich kelvin e pannello sandwich a nido d’ape. Ogni struttura presentava versioni semplificate degli strati visti nelle vere seppie, con pareti interconnesse che imitavano i loro elementi organici.

Durante i primi test, tutti i prototipi polimerici si sono deformati sotto compressione, ma il team ha scoperto che la forma delle pareti di un esemplare ha fatto un’enorme differenza per la loro resistenza. In effetti, rispetto ad altre parti di forma convenzionale, gli scienziati hanno dovuto applicare una pressione molto maggiore sui prototipi simili a osso di seppia per farli collassare lateralmente.

Basandosi su questi risultati iniziali, i ricercatori hanno quindi formulato una gamma di materiali cellulari, che imitavano meglio l’architettura e i comportamenti meccanici dell’osso di seppia. Rispetto alle schiume polimeriche convenzionali, i prototipi hanno dimostrato un assorbimento di energia 20-25 volte maggiore e alla fine si sono dimostrati in grado di essere investiti da un’intera auto senza perdere la loro integrità strutturale.

Alla conclusione dello studio, il team ha evidenziato come la stampa 3D abbia fornito loro la libertà di progettazione necessaria per sbloccare il potenziale del loro materiale biomimetico e ha suggerito che utilizzando ceramica o metalli in futuro, potrebbe essere possibile creare strutture rinforzate con una resistenza ancora maggiore qualità.

“Grazie al peso ridotto, all’elevata resistenza e all’eccellente capacità di assorbimento dell’energia, questo materiale cellulare bio-ispirato può trovare ampie applicazioni in strutture aerospaziali e dispositivi impiantabili”, hanno concluso i ricercatori nel loro articolo. “Il nostro studio evidenzia la possibilità di progettazione e ingegneria di materiali cellulari ad alte prestazioni, attraverso la stampa 3D bio-ispirata”.

Sebbene l’elevato rapporto resistenza/peso delle parti stampate in 3D reticolate sia ben noto nel settore, gli scienziati continuano a trovare modi per generare nuovi progetti.

Come gli scienziati dello Zhejiang, anche i ricercatori della National Taiwan University of Science and Technology hanno adottato un approccio di ispirazione marina per creare un nuovo materiale portante. Sulla base della morfologia del riccio di mare, il filamento FDM meccanicamente stabile del team non richiede l’uso di strutture di supporto durante la stampa.

Allo stesso modo, Phoenix Analysis & Design Technologies ha ricevuto 755.000 dollari in finanziamenti della NASA per aiutare a sviluppare strutture più forti e più leggere da utilizzare durante l’esplorazione spaziale. In particolare, all’azienda è stata assegnata la borsa di ricerca per creare uno strumento software per la progettazione, il test e la stampa 3D di reticoli resistenti, leggeri e di ispirazione biologica per veicoli aerospaziali.

Altrove, gli ingegneri della UC Berkeley hanno dimostrato i vantaggi dell’incorporazione di reticoli di ottetti polimerici stampati in 3D nelle strutture in calcestruzzo. Integrando la plastica nel materiale di stampa, il team ha scoperto di poter ridurre il peso delle strutture portanti, senza diminuire la loro durata.

I risultati dei ricercatori sono dettagliati nel loro documento intitolato “Mechanically Efficient Cellular Materials Inspired by Cuttlebone”, che è stato co-autore di Anran Mao, Nifang Zhao, Yahui Liang e Hao Bai.

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