I ricercatori dell’Università di Groningen hanno dimostrato che il comportamento inatteso delle strutture di metamateriali stampate in 3D non è dovuto a difetti strutturali, come si credeva comunemente, ma a una caratterizzazione non corretta.
Gli scienziati dell’Università di Groningen, nei Paesi Bassi, hanno dimostrato che il comportamento inatteso delle strutture di metamateriali stampate in 3D non è dovuto a difetti strutturali, come si credeva comunemente, ma che, per ottenere modelli con un’elevata precisione predittiva, il materiale deve essere caratterizzato correttamente. I risultati sono stati pubblicati su Materials Horizons.
La produzione additiva, come la stampa 3D, offre un’eccellente opportunità per progettare metamateriali: materiali con una struttura ingegnerizzata che porta a proprietà desiderate, come per esempio la resistenza alle vibrazioni, ma una delle principali difficoltà era che la risposta prevista del metamateriale spesso non corrispondeva al comportamento reale.
Le stampanti 3D costruiscono gli oggetti strato per strato. Questo processo additivo può potenzialmente introdurre difetti strutturali, tra cui piani deboli e proprietà dipendenti dalla direzione. Si pensava che questi fossero la causa del comportamento imprevedibile dei metamateriali stampati in 3D: “Il nostro studio dimostra che questo non è vero. In realtà, è perfettamente possibile realizzare un oggetto stampato in 3D con una macchina a basso costo e progettarlo in modo tale da presentare un’eccellente attenuazione delle vibrazioni, e persino proprietà più particolari, come la localizzazione delle vibrazioni in determinate parti o la possibilità di consentirne la propagazione in una direzione, impedendola nella direzione opposta” afferma il dottorando Sidharth Beniwal.
L’accuratezza dei modelli dipende dai materiali
Sotto la supervisione di Ranjita Bose e Anastasiia Krushynska, Beniwal ha utilizzato una combinazione di metodi numerici e sperimentali, testando diversi materiali comunemente impiegati nella stampa 3D. Ha confrontato le proprietà di attenuazione delle vibrazioni di parti stampate in 3D di diverse forme in varie condizioni ambientali: “Non abbiamo osservato quasi nessuna differenza nel controllo delle vibrazioni tra le strutture realizzate con tecniche di stampa 3D a basso costo e quelle più costose, il che indica che i difetti di fabbricazione possono essere tranquillamente trascurati”.
Questo dimostra che la persistente discrepanza tra le previsioni numeriche e le osservazioni sperimentali nelle strutture con controllo delle vibrazioni stampate in 3D deve avere un’origine diversa dai difetti strutturali, come si ipotizzava in precedenza. I ricercatori dimostrano invece che, se il materiale utilizzato per la stampa 3D viene caratterizzato correttamente nel modello predittivo, è possibile progettare strutture stampate in 3D che si comportano come previsto. Ciò apre la strada a diverse applicazioni utili, come l’isolamento dalle vibrazioni, la riduzione del rumore, il monitoraggio strutturale, la sensoristica, l’elaborazione del segnale e la raccolta di energia, nonché materiali e dispositivi di nuova generazione per il controllo delle onde: “La parte più entusiasmante del progetto è stata vedere i primi risultati sperimentali e constatare quanto corrispondessero alle nostre previsioni numeriche. Inizialmente, ciò è stato dimostrato per strutture relativamente semplici, il che era già incoraggiante. Tuttavia, la vera soddisfazione è arrivata quando abbiamo esteso l’approccio a strutture più complesse e abbiamo osservato lo stesso livello di accuratezza. Ci siamo accorti che, di fatto, eravamo in grado di prevedere il comportamento del metamateriale con una precisione notevole, contrariamente a quanto comunemente riportato in letteratura. È diventato quindi chiaro che stavamo affrontando una sfida fondamentale nel settore” conclude Beniwal dell’Università di Groningen.
