I ricercatori dell’Oak Ridge National Laboratory hanno integrato tecniche di stampa 3D ispirate all’origami con compositi ibridi per realizzare strutture leggere con tempi di costruzione più rapidi, costi ridotti e maggiore adattabilità.
I ricercatori del Dipartimento dell’Energia presso l’Oak Ridge National Laboratory hanno introdotto tecniche di stampa 3D ispirate all’origami con compositi ibridi, ovvero materiali realizzati con componenti di rinforzo misti. Eliminando la necessità di stampi da fabbricare separatamente, questo processo produce strutture leggere, con tempi di costruzione più rapidi, costi minori e maggiore adattabilità.
Pur essendo estremamente efficace per la realizzazione di componenti robusti e durevoli, la produzione tradizionale di materiali compositi può comportare lunghi tempi di consegna e costi elevati per gli stampi, limitando la flessibilità progettuale. Il metodo ORNL utilizza materiali ibridi in un processo additivo senza stampi per produrre strutture che si trasformano da piatte a pieghevoli, integrando componenti flessibili e rigidi in un unico design: “Questo metodo pionieristico ridefinisce la produzione avanzata, fondendo la scienza dei materiali con principi di progettazione innovativi. Applicando principi ispirati all’origami ai compositi ibridi, stiamo migliorando l’efficienza e la scalabilità della produzione di grandi strutture, offrendo soluzioni robuste ed economiche per un’ampia gamma di applicazioni” sottolinea Steven Guzorek dell’ORNL, ricercatore principale del progetto.
L’innovativo processo dell’Oak Ridge National Laboratory consiste nel depositare materiali su una superficie flessibile a base di tessuto, consentendo un controllo preciso sulla forma e sulla resistenza del materiale. Questa flessibilità permette di ottenere forme 3D pieghevoli senza stampi o complesse fasi di finitura.
Le strutture sono composte da una base di tessuto ad alta resistenza, come nylon, fibra di vetro o fibre composite impregnate di resina, seguita da uno strato di integrazione o di incollaggio, come il poliuretano termoplastico, per garantire compatibilità e adesione. Lo strato di rinforzo viene quindi applicato utilizzando materiali compositi depositati, tra cui fibre di carbonio termoplastiche in acrilonitrile butadiene stirene (ABS) per prestazioni strutturali leggere oppure formulazioni termoindurenti come resine a base di stirene o epossidiche per una maggiore rigidità, controllo geometrico e durata. I materiali si legano a livello molecolare, formando una forte connessione tra la griglia e lo strato esterno. Questo progresso apre la strada a strategie di produzione di compositi di nuova generazione che eliminano gli stampi ed espandono i confini della progettazione di strutture leggere.
I vantaggi della stampa 3D di compositi ibridi senza stampi
Il metodo dell’Oak Ridge National Laboratory consente la produzione di geometrie complesse che i metodi tradizionali basati su stampi non sono economicamente sostenibili. Permette inoltre la fabbricazione di oggetti di dimensioni superiori a quelle della stampante stessa, riducendo i costi di investimento e aumentando l’efficienza produttiva. In una stampa di prova, i ricercatori hanno scoperto che l’eliminazione degli stampi ha ridotto i tempi di produzione del 95% e i costi del 90% per la stampa di un design unico, rispetto alla produzione convenzionale di compositi con stampi.
Infine il nuovo metodo dell’ORNL elimina i problemi di stoccaggio degli stampi, consente una rapida implementazione e facilita la stampa veloce di componenti piatti direttamente su materiali in fogli, mantenendo bassi i costi e supportando sia materiali termoplastici, sia termoindurenti: “Il nostro obiettivo è rendere questa innovazione scalabile, in modo che i produttori di tutti i settori possano sfruttarne il potenziale. Ampliando l’accesso ai compositi ibridi senza stampo, stiamo consentendo ai produttori di esplorare nuove possibilità di progettazione e di sbloccare applicazioni completamente nuove per questa tecnologia trasformativa” conclude Guzorek.
ORNL ha depositato un brevetto e il team sta preparando l’innovazione per future licenze.
Foto: Amy Smotherman Burgess/ORNL, U.S. Dept. of Energy
