Un team di ricerca internazionale, guidato da IMDEA Materials, ha raggiunto un importante traguardo nella comprensione della meccanica della frattura dei metalli prodotti con stampa 3D per applicazioni in ambito aerospaziale, dei trasporti e della difesa.
I ricercatori dell’IMDEA Materials e dell’Università Carlos III di Madrid (UC3M), in collaborazione con istituti di ricerca in Francia e Giappone, hanno raggiunto un importante traguardo nella comprensione della meccanica della frattura dei metalli prodotti mediante manifattura additiva. La ricerca è particolarmente importante per le applicazioni in ambito aerospaziale, dei trasporti e della difesa, dove i componenti sono frequentemente esposti a intensi carichi dinamici.
I risultati, pubblicati sul Journal of the Mechanics and Physics of Solids, mostrano osservazioni in situ e in tempo reale tramite raggi X di come due delle leghe di alluminio e titanio più utilizzate reagiscono quando sottoposte a carichi ad alta velocità. Tali risultati non solo stabiliscono una connessione diretta tra i meccanismi a livello dei pori e la risposta macroscopica alla frattura, ma offrono anche opportunità per migliorare il comportamento all’impatto delle leghe stampate in 3D.
La ricerca si è concentrata su AlSi10Mg e Ti-6Al-4V, due leghe comunemente utilizzate nella manifattura additiva Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Questa tecnica consente la produzione di geometrie complesse strato per strato, ma il processo può anche introdurre pori microscopici all’interno del materiale. Comprendere come questi difetti si comportano in condizioni di carico estreme è rimasto, fino ad ora, una sfida significativa: “Questo approccio ci permette di osservare direttamente come si formano e si evolvono i danni all’interno dei metalli prodotti con tecniche di manifattura additiva durante carichi estremi” spiega Federico Sket, Ricercatore Senior presso l’IMDEA Materials Institute e uno degli autori della pubblicazione. José A. Rodríguez Martínez, Professore presso l’UC3M, Visiting Scientist all’IMDEA Materials e coautore, aggiunge che “per la prima volta, possiamo collegare ciò che accade a livello microscopico con i segnali macroscopici misurati durante gli esperimenti di impatto”.
I risultati della ricerca
Nello specifico, i ricercatori sono riusciti a osservare, in tempo reale, come i pori microscopici presenti nei metalli stampati in 3D collassano, si riaprono e infine innescano la frattura durante impatti ad alta velocità. Gli esperimenti sono stati condotti presso l’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), una delle principali strutture di questo tipo al mondo, dove i ricercatori hanno utilizzato intensi fasci di raggi X per osservare l’interno dei metalli mentre venivano colpiti a velocità fino a 750 metri al secondo.
Utilizzando la microscopia a contrasto di fase a raggi X ultraveloce con risoluzione temporale di nanosecondi, i ricercatori hanno osservato l’intera sequenza di eventi all’interno del metallo durante l’impatto. Inizialmente, l’onda d’urto comprime il materiale, causando il collasso dei pori. Con la propagazione delle onde di stress e la conseguente tensione del materiale, i pori si riaprono e si espandono. Infine, si uniscono, formando una fessura interna che dà origine a un fenomeno noto come frattura da scheggiatura.
A differenza delle fratture normali, che di solito iniziano in superficie, la frattura da scheggiatura si forma all’interno del materiale a causa del comportamento delle onde di stress. Poiché si formano all’interno del materiale invece che superficie, queste fessure sono generalmente più difficili da rilevare e analizzare. Nonostante le differenze nella morfologia della frattura, le leghe AlSi10Mg e Ti-6Al-4V hanno mostrato di essere state governate dallo stesso meccanismo di danneggiamento di base, che prevede la crescita e la coalescenza di vuoti, con conseguente frattura interna.
“Nel complesso, questo studio fornisce nuove informazioni sulla frattura dinamica a trazione dei metalli stampati in 3D. Lo fa sfruttando i più recenti progressi nell’imaging a contrasto di fase a raggi X ad alta velocità e nella tomografia ad alta risoluzione, stabilendo al contempo un protocollo sistematico per studiare i meccanismi di collasso dei vuoti e di rottura per scheggiatura nei materiali porosi sottoposti a carico d’urto” spiega Javier García Molleja, ricercatore presso l’IMDEA Materials.
Inoltre, questo approccio apre nuove prospettive nell’applicazione dei metalli prodotti con tecniche di stampa 3D per applicazioni di protezione e assorbimento di energia, evidenziandone il potenziale per soluzioni ingegneristiche di nuova generazione.
Oltre all’IMDEA Materials Institute e all‘UC3M, la pubblicazione si è avvalsa anche del contributo dell’ESRF-European Synchrotron, del Max von Laue-Paul Langevin Institute in Francia e del Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI).
I ricercatori propongono di estendere in futuro il quadro sperimentale presentato ad altre leghe di alluminio e titanio adatte alla stampa 3D, nonché a metalli leggeri stampati come il magnesio.
Foto: Journal of the Mechanics and Physics of Solids (2026) – DOI: 10.1016/j.jmps.2026.106551
