I ricercatori della Seoul National University hanno sviluppato una nuova classe di materiali strutturali ultraleggeri che combinano la resistenza al carico dei materiali ingegneristici con il peso della schiuma.
Gli scienziati della Seoul National University hanno sviluppato una nuova classe di materiali strutturali ultraleggeri che combinano la resistenza al carico dei materiali ingegneristici con il peso della schiuma. Attraverso un metodo chiamato avvolgimento di nodi 3D, il team ha creato reticoli di fibra di carbonio a mesoscala che raggiungono prestazioni paragonabili a quelle dell’alluminio in termini di rapporto resistenza-peso, pur pesando solo 1/100 del peso dell’alluminio.
I risultati, pubblicati su Nature Communications, dimostrano un nuovo modo per costruire strutture resistenti e leggere senza bisogno di giunzioni o assemblaggi a strati. Questo approccio elimina uno dei principali ostacoli della progettazione strutturale: la necessità di assemblare forme tridimensionali complesse a partire da parti discrete. Le strutture vengono invece create come sistemi continui, consentendo di ottenere simultaneamente complessità geometrica e integrità meccanica.
Materiali resistenti e leggeri sono essenziali in applicazioni che spaziano dai droni e robot ai veicoli e ai sistemi aerospaziali. Gli attuali compositi di fibra di carbonio offrono già un’elevata resistenza a un peso ridotto, ma sono in genere realizzati sovrapponendo sottili strati o assemblando più componenti. Questi processi limitano la libertà di progettazione e introducono interfacce deboli nei punti di giunzione tra strati o parti. Anche gli approcci più recenti, come i compositi stampati in 3D, si basano sulla fabbricazione strato per strato. Questo crea confini interni che interrompono il trasferimento del carico, imponendo un compromesso tra complessità strutturale e affidabilità meccanica.
Costruire strutture da un’unica fibra continua
Per superare queste limitazioni, il team di ricerca della Seoul National University si è rivolto a una strategia di fabbricazione radicalmente diversa: invece di assemblare o sovrapporre materiali, ha posizionato un’unica fibra di carbonio continua direttamente nello spazio tridimensionale, un concetto unificante che “li lega tutti insieme in perfetta unità”.
Il processo inizia con un’impalcatura temporanea che definisce la geometria nodale. Una lunga fibra di carbonio viene quindi avvolta attraverso questi nodi, formando una rete reticolare spaziale. Una volta stabilita la geometria, la struttura viene consolidata mediante impregnazione con resina, producendo un composito solido. Poiché la fibra rimane continua in tutta la struttura, le forze vengono trasmesse senza interruzioni, evitando le concentrazioni di stress e i punti di rottura comunemente associati a giunzioni e interfacce.
Le strutture risultanti presentano una resistenza alla compressione di circa 10-30 megapascal, paragonabile a quella di materiali da costruzione come il calcestruzzo. Sebbene questo valore rimanga inferiore alla resistenza assoluta dei metalli di alta qualità, le strutture raggiungono prestazioni eccezionali se normalizzate in base al peso, ottenendo un’efficienza paragonabile a quella dell’alluminio con una massa drasticamente ridotta.
In fibra di carbonio, parità di peso, i reticoli possono essere fino a dieci volte più resistenti rispetto alle strutture reticolari convenzionali. Questo miglioramento deriva da percorsi di carico continui, che consentono una distribuzione più efficiente delle forze e riducono il materiale inattivo all’interno della struttura.
Per convalidare l’approccio in un sistema reale, i ricercatori hanno applicato la struttura al telaio di un drone. Il telaio riprogettato ha ridotto il peso strutturale di circa il 79% rispetto ai progetti convenzionali. Questa riduzione ha comportato direttamente un aumento del 33% del tempo di volo nelle stesse condizioni operative. Questi risultati confermano che la riduzione del peso strutturale si traduce direttamente in un miglioramento delle prestazioni a livello di sistema, in particolare nelle applicazioni in cui la massa rappresenta un vincolo primario.
Verso strutture scalabili e guidate dal design
Oltre alle prestazioni dei materiali, questo lavoro ridefinisce il modo in cui i sistemi portanti possono essere progettati e realizzati. Invece di basarsi sull’assemblaggio o sulla stratificazione, l’approccio consente di definire le strutture attraverso percorsi continui di fibre, permettendo di ottimizzare contemporaneamente la geometria e la distribuzione del carico. In precedenza, tali architetture tridimensionali continue di fibre erano difficili da scalare con i metodi di produzione convenzionali, ma questo approccio si integra naturalmente con i sistemi di fabbricazione robotizzati a percorso utensile, dove traiettorie complesse di fibre possono essere generate ed eseguite direttamente da progetti digitali. Con l’evoluzione di questi sistemi, si prevede che consentiranno la produzione scalabile di compositi strutturati che sarebbero impraticabili da realizzare manualmente: “La complessità spaziale delle architetture continue di fibre ne ha limitato la scalabilità nella produzione convenzionale. Grazie ai progressi nella fabbricazione robotica e basata sull’intelligenza artificiale, queste strutture possono ora essere prodotte su larga scala e questo lavoro fornisce una tabella di marcia per il futuro” affermano il Dott. Jun Young Choi e il Prof. Sung-Hoon Ahn.
Foto: Seoul National University
