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Jun 20, 2023

Carbonio

June 25, 2014 by

25 giugno 2014

dall'Università di Harvard

Nei parchi eolici del Nord America e dell’Europa, eleganti turbine dotate di tecnologia all’avanguardia convertono l’energia eolica in energia elettrica. Ma nascosto all’interno delle lame di queste prodezze dell’ingegneria moderna c’è un materiale decisamente a bassa tecnologia: il legno di balsa.

Come altri prodotti manifatturieri che utilizzano la costruzione di pannelli sandwich per ottenere una combinazione di leggerezza e resistenza, le pale delle turbine contengono strisce di legno di balsa accuratamente disposte provenienti dall'Ecuador, che fornisce il 95% della fornitura mondiale.

Per secoli, l’albero di balsa a crescita rapida è stato apprezzato per la sua leggerezza e rigidità rispetto alla densità. Ma il legno di balsa è costoso e le variazioni naturali delle venature possono rappresentare un ostacolo al raggiungimento dei requisiti prestazionali sempre più precisi delle pale delle turbine e di altre applicazioni sofisticate.

Poiché i produttori di turbine producono pale sempre più grandi – la più lunga ora misura 75 metri, quasi pari all’apertura alare di un aereo di linea Airbus A380 – devono essere progettate per funzionare praticamente senza manutenzione per decenni. Per soddisfare le specifiche più esigenti in termini di precisione, peso e consistenza della qualità, i produttori sono alla ricerca di nuove opzioni di materiali da costruzione sandwich.

Ora, utilizzando un cocktail di resine termoindurenti a base epossidica rinforzate con fibre e tecniche di stampa per estrusione 3D, gli scienziati dei materiali della Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering hanno sviluppato materiali compositi cellulari di luce senza precedenti peso e rigidità. A causa delle loro proprietà meccaniche e del controllo su vasta scala della fabbricazione (vedi video sotto), i ricercatori affermano che questi nuovi materiali imitano e migliorano la balsa e persino i migliori polimeri e compositi polimerici stampati in 3D commerciali disponibili.

Un articolo che descrive i loro risultati è stato pubblicato online sulla rivista Advanced Materials.

Fino ad ora, la stampa 3D è stata sviluppata per termoplastiche e resine polimerizzabili con raggi UV, materiali che in genere non sono considerati soluzioni ingegneristiche per applicazioni strutturali. “Passando a nuove classi di materiali come le resine epossidiche, apriamo nuove strade per l’utilizzo della stampa 3D per costruire architetture leggere”, afferma la ricercatrice principale Jennifer A. Lewis, professoressa di ingegneria biologica ispirata Hansjörg Wyss presso Harvard SEAS. "Essenzialmente, stiamo ampliando la gamma dei materiali per la stampa 3D."

"Il legno di balsa ha un'architettura cellulare che ne riduce al minimo il peso poiché la maggior parte dello spazio è vuoto e solo le pareti delle cellule sostengono il carico. Ha quindi un'elevata rigidità e resistenza specifica", spiega Lewis, che oltre al suo ruolo presso la Harvard SEAS è anche membro della Core Faculty presso il Wyss Institute. "Abbiamo preso in prestito questo concetto di design e lo abbiamo imitato in un composito ingegnerizzato."

Lewis e Brett G. Compton, un ex ricercatore post-dottorato nel suo gruppo, hanno sviluppato inchiostri di resine epossidiche, arricchiti con piastrine di nanoargilla che aumentano la viscosità e un composto chiamato dimetilmetilfosfonato, e poi hanno aggiunto due tipi di riempitivi: minuscoli "baffi" di carburo di silicio e fibre di carbonio discrete. La chiave della versatilità degli inchiostri caricati con fibra risultanti è la capacità di controllare l'orientamento dei riempitivi.

La direzione in cui vengono depositati i riempitivi controlla la resistenza dei materiali (si pensi alla facilità di spaccare un pezzo di legna da ardere nel senso della lunghezza rispetto alla relativa difficoltà di tagliarlo perpendicolarmente contro le venature).

Lewis e Compton hanno dimostrato che la loro tecnica produce compositi cellulari rigidi come il legno, da 10 a 20 volte più rigidi dei polimeri commerciali stampati in 3D e due volte più resistenti dei migliori compositi polimerici stampati. La capacità di controllare l'allineamento dei riempitivi significa che i produttori possono integrare digitalmente la composizione, la rigidità e la tenacità di un oggetto con il suo design.