I progressi nell'ingegneria dei materiali hanno portato allo sviluppo di strutture leggere, resistenti e rigide, che stanno trasformando l'aerospazio, industria automobilistica e medica. Tecniche di produzione convenzionali come fusione e lavorazione, però, limitare i progetti che possono essere fabbricati in quanto sono soggetti a imprecisioni e faticano a ottenere i migliori risultati.

Ora, gli scienziati di A*STAR hanno inventato un metodo che utilizza tecniche di produzione additiva per creare strutture reticolari leggere con rigidità e resistenza notevolmente migliorate1, aprendo la strada a nuovi materiali da utilizzare in un'ampia gamma di applicazioni, compresi i materiali antiurto e le strutture sandwich.

La progettazione e l'ottimizzazione di strutture cellulari e reticolari leggere è un campo emergente reso possibile dai progressi nella produzione additiva di metalli e polimeri, come la capacità di stampare con precisione geometrie molto complesse.

Imitando le strutture presenti in natura, Stephen Daynes e i colleghi del Singapore Institute of Manufacturing Technology di A*STAR hanno sviluppato un metodo per creare questi nuovi materiali robusti in collaborazione con i ricercatori della National University of Singapore.

"Le strutture a traliccio superano le prestazioni strutturali dei materiali solidi convenzionali per l'uso in anime sandwich leggere, impianti medici e una nuova classe di metamateriali di tipo reticolare con specifiche proprietà meccaniche e termiche, " spiega Daynes. "Utilizzando un nuovo metodo biomimetico, siamo stati in grado di creare strutture cellulari e reticolari simili a quelle viste nel bambù e nelle ossa umane".

I ricercatori hanno determinato le principali linee di stress, chiamate linee isostatiche, nel reticolo utilizzando un metodo che combina la topologia e l'ottimizzazione delle dimensioni. Questo approccio consente la dimensione, forma e orientamento di ogni cellula nella struttura da adattare, riducendo significativamente lo stress tra le celle reticolari vicine.

I ricercatori hanno confrontato le prestazioni della loro struttura reticolare graduata con un nucleo reticolare uniforme e hanno scoperto che il loro design ottimizzato aveva aumentato la rigidità del 172% e la resistenza del 100%.

"La nostra tecnica può creare leggerezza, reticoli funzionalmente graduati che migliorano notevolmente la rigidità e la resistenza delle strutture sandwich prodotte in modo additivo senza aumentarne la massa, " afferma Daynes. "Queste strutture sono particolarmente adatte ai processi di produzione additiva poiché sono in gran parte non vincolate dalla complessità della produzione".

"Abbiamo in programma di applicare la metodologia a campi di stress tridimensionali, dove l'utilizzo di reticoli spazialmente graduati può portare a materiali nuovi e più efficienti dal punto di vista del peso, "dice Daynes.