I RICERCATORI STAMPANO IN 3D RETICOLI SENZA SUPPORTO ISPIRATI AI RICCI DI MARE
I ricercatori della National Taiwan University of Science and Technology hanno stampato in 3D nuove strutture reticolari utilizzando Fused Deposition Modeling (FDM) che non richiedono strutture di supporto.
Le strutture reticolari a forma di conchiglia si basano sulla morfologia di un riccio di mare, che ha una forma meccanicamente stabile e portante. I ricercatori miravano a emulare queste proprietà nelle loro strutture reticolari stampate al fine di eliminare la necessità di strutture di supporto, riducendo così la quantità di materiale, energia e tempo necessari durante il processo di stampa e le successive fasi di post-elaborazione.
I reticoli ispirati ai ricci di mare sono stati progettati con rigidità specifiche e proprietà di assorbimento dell’energia e potrebbero avere potenziali applicazioni all’interno di prodotti di consumo finali come intersuole per scarpe a basso costo e scarponi da sci. Secondo i ricercatori, i reticoli potrebbero anche essere utilizzati nel settore automobilistico sotto forma di pneumatici e scatole di schiacciamento automobilistiche, o addirittura “qualsiasi altra struttura ad assorbimento di energia”.
La stampa di strutture reticolari utilizzando il processo FDM richiede una struttura di supporto per garantire che ogni elemento reticolare sia stampato senza difetti e senza distorsioni o cedimenti. Questa struttura di supporto viene quindi rimossa durante una fase di post-elaborazione mediante metodi meccanici o chimici.
Quando si stampa con materiali elastici come TPU, lo stesso materiale deve essere utilizzato come supporto, rendendo la rimozione di questo supporto dal reticolo con mezzi chimici o meccanici quasi impossibile a causa della natura complessa della struttura. Questo ampio lavoro di post-elaborazione, insieme al materiale extra, all’energia e al tempo di elaborazione necessari per stampare i supporti in primo luogo, ha spinto i ricercatori a intraprendere la progettazione di strutture reticolari in TPU stabili e autoportanti che potrebbero essere prodotte tramite FDM.
I ricercatori volevano anche sfruttare particolari proprietà meccaniche come la rigidità e l’assorbimento di energia per produrre risultati di compressione decenti durante il caricamento e lo scaricamento delle strutture, per garantire che fossero adatte per calzature e altre applicazioni di assorbimento di energia.
Una precedente ricerca della Southeast University cinese ha avviato la creazione di un algoritmo per oggetti più resistenti ed efficienti stampati utilizzando il processo FDM, utilizzando un modello di riempimento coerente simile a quello di un reticolo. Altrove, un team della UC Berkeley ha sviluppato un modo per incorporare reticoli di ottetti polimerici stampati in 3D in strutture in calcestruzzo per fungere da rinforzi. Le strutture reticolari hanno ridotto significativamente il peso complessivo della struttura e si sono rivelate altrettanto portanti del cemento tradizionale.
I ricercatori hanno deciso il metodo di stampa 3D FDM a causa del suo basso costo operativo e manutenzione. Sperano di rendere il processo FDM più efficiente attraverso il raggiungimento di velocità di stampa più elevate e una migliore qualità costruttiva eliminando la necessità di strutture di supporto durante la stampa di strutture reticolari.
Durante FDM, i supporti vengono utilizzati quando le strutture reticolari hanno sporgenze ripide e sporgenze parallele. I ricercatori hanno scoperto che per stampare reticoli autoportanti, era necessario garantire un angolo di sporgenza massimo di 45 gradi ed eliminare la sporgenza parallela della struttura.
Il reticolo proposto è costituito da una rete interconnessa di puntoni solidi che formano blocchi di costruzione di base che possono quindi essere tassellati in una struttura periodica. La struttura si basa su un design cellulare ispirato alla cupola dei ricci di mare, che è economica nei materiali ed è in grado di trasferire efficacemente le sollecitazioni di compressione dalla superficie della cupola al suo margine. Ciò rende la struttura più forte e più stabile ed è stata precedentemente utilizzata nell’ambito della progettazione architettonica.
Diverse varianti del reticolo sono state stampate con filamento TPU su una stampante Flashforge Beaver 3 e Ultimaker FDM 3D, con dimensioni del reticolo unitario di 8x8x8mm. I reticoli unitari sono stati quindi tassellati in un cilindro con un diametro di 38 mm e uno spessore di 16 mm. Dopo che la stampa delle strutture reticolari è stata completata, non sono state necessarie fasi di post-elaborazione ed è stato possibile iniziare il test delle proprietà meccaniche dei reticoli.
I ricercatori hanno scoperto che le loro strutture reticolari senza supporto stampate in 3D potrebbero migliorare la velocità complessiva del processo di stampa 3D FDM per la costruzione di parti personalizzate, mentre i reticoli stessi offrono un “grande potenziale” per la fabbricazione di parti con un’ampia gamma di volumi e densità. e dimensioni.
L’ispezione visiva dei reticoli stampati in 3D non ha rilevato imperfezioni o rotture all’interno della struttura, dimostrando che è possibile realizzare strutture reticolari senza supporto per prodotti di uso finale, come intersuole e pneumatici. Le strutture hanno anche mostrato un ritorno di energia quasi costante sotto carico ciclico.
Secondo i ricercatori, la loro struttura ha superato in modo significativo un reticolo cubico centrato sul corpo (BCC) di riferimento e le schiume di etilene vinil acetato (EVA) in termini di assorbimento di energia e rigidità. Inoltre, la stampa del reticolo senza supporto ha richiesto tre ore in meno rispetto a quelle stampate con i supporti e ha rimosso circa 11 ore di post-elaborazione. La stampa dei reticoli costa anche tre volte meno di strutture comparabili stampate con supporti.
Andando avanti, i ricercatori si aspettano che le loro strutture reticolari prive di supporto vengano applicate nello sviluppo di intersuole personalizzate di scarpe sportive e scarponi da sci utilizzando FDM. Studieranno anche l’effetto della portata sulla precisione della stampa dei reticoli utilizzando un diametro dell’ugello fisso.
Ulteriori informazioni sullo studio possono essere trovate nel documento intitolato “Strutture reticolari senza supporto per l’assorbimento di energia fabbricate da Fused Deposition Modeling” , pubblicato nella rivista 3D Printing and Additive Manufacturing. L’articolo è coautore di A. Kumar, S. Verma, J. Jeng.
