Alcuni ricercatori hanno dimostrato di poter stampare oggetti ad alta risoluzione composti da versatili materiali ceramici.
di Mike Orcutt
La promessa della manifattura per addizione, o stampa 3-D – che permette di produrre componenti personalizzabili in tempi e a costi migliori – è limitata dalla paletta di materiali stampabili, che fino ad ora includeva prevalentemente polimeri e alcuni metalli. Oggi, però, è possibile includere i materiali ceramici, una importante classe di materiali che, grazie alla loro elevata forza e resistenza a calore, degrado chimico e frizione, trovano applicazioni all’interno dell’industria aerospaziale e militare.
Grazie a un trucco di scienza dei materiali dimostrato da alcuni ricercatori degli HRL Laboratories, gli ingegneri possono ora ricorrere alla manifattura per addizione e realizzare parti ceramiche intricate e personalizzate in grado di sfruttare tutte le proprietà di questi materiali.
La produzione di componenti resistenti in materiali ceramici è una sfida impegnativa, specialmente quando queste devono assumere forme complesse. I materiali non sono compatibili con i convenzionali processi produttivi, quali la lavorazione a macchina o la colata, e il metodo tradizionalmente adottato comporta l’impiego di calore al fine di consolidare polveri ed ottenere forme solide. Questo approccio, che può anche essere utilizzato nella manifattura per addizione, non è però affidabile, e tende a introdurre difetti che possono portare a crepe e fratture nei pezzi finiti.
I ricercatori degli HRL Labs sono riusciti a ottenere questo risultato sviluppando una resina stampabile costituita dai cosiddetti polimeri preceramici, che possono essere convertiti in materiali ceramici esponendoli a temperature elevate. Hanno dimostrato che questa nuova resina è compatibile con una comune tecnica di stampa 3-D conosciuta come stereolitografia, in cui un raggio laser viene utilizzato per ricavare, strato dopo strato, strutture da un polimero. I ricercatori hanno anche mostrato il suo funzionamento con una tecnica specializzata che, attraverso una luce a infrarossi e delle maschere pre-lavorate, permette di realizzare complesse strutture 3-D, come ad esempio dei reticoli, ad una velocità fra le 100 e le 1.000 volte superiore rispetto a quella della normale stereolitografia. Una volta stampate, i ricercatori hanno riscaldato le parti, trasformandole in ceramica, e ne hanno dimostrato le impressionanti proprietà meccaniche.
Stando a Tobias Schaedler, lo scienziato senior degli HRL Labs che ha guidato la ricerca, grazie a questo nuovo approccio è oggi possibile realizzare due classi di utili parti ceramiche – strutture reticolate grandi ed estremamente leggere che potrebbero fungere da pannelli resistenti al calore o altri elementi esterni di aeroplani e shuttle, e piccole parti intricate che potrebbero essere utilizzate all’interno di sistemi elettromeccanici o componenti di motori jet e razzi.
Schaedler dice che il gruppo è ora finanziato da DARPA per sviluppare un guscio ceramico con il quale proteggere una navicella spaziale o un aereo ipersonico da calore, pressione e macerie. Viste le loro proprietà termiche, le schiume ceramiche sono un materiale interessante per questo genere di applicazione, ma le loro ridotte proprietà meccaniche le rendono fondamentalmente inutilizzabili all’interno di strutture sottoposte a carichi, spiega Stephanie Tompkins, direttrice del Defense Sciences Office di DARPA. Le strutture reticolate ceramiche realizzate dai ricercatori degli HRL Labs sono 10 volte più resistenti rispetto alle schiume disponibili sul mercato.
(MO)
