I cosiddetti Ceramic Matrix Composites (CMC) sono una classe di componenti con elevate proprietà meccaniche, particolarmente adatta a sollecitazioni termiche; tali architetture reticolari sono spesso possibili solo attraverso la produzione additiva ed il laboratorio di materiali ibridi utilizza appunto questi processi; per realizzare strutture complesse e polimeri porosi la soluzione più adatta è la Sinterizzazione Laser Selettiva (SLS), perché permette di realizzare forme altrimenti impossibili e perché è una piattaforma versatile aperta alla modifica dei parametri di costruzione e a materiali alternativi. Con l’obiettivo di ottenere risultati migliori, i ricercatori hanno lavorato sull’ottimizzazione della geometria dei pezzi e sulla modifica dei parametri di costruzione (temperatura di sinterizzazione, velocità del laser e spessore dello strato); una opportunità percorribile solo con l’uso sistemi di stampa 3D aperti, come appunto quelli del produttore Sintratec in dotazione al laboratorio. I test hanno dimostrato che i convertitori catalitici innovativi sono effettivamente più efficienti di quelli tradizionali. Inoltre usando sagome sacrificali – modelli rivestiti in ceramica che vengono svuotati tramite trattamento termico – si è riuscito a realizzare componenti cavi, ultraleggeri e altamente stabili; queste strutture sono passate dalla fase sperimentale a quella di effettiva produzione industriale da parte della società svizzera EngiCer.
Nelle applicazioni strutturali destinate a veicoli aerospaziali, come per esempio lo Space-Shuttle della Nasa, sono necessari speciali materiali ibridi realizzati con ceramiche avanzate, capaci di resistere a condizioni di altissime temperature e shock termici per un lungo periodo di tempo. Il team di ricerca guidato da Alberto Ortona – presso il Laboratorio “MEMTi” dell’istituto di ingegneria meccanica e – si sta concentrando sui materiali ceramici ibridi, adatti all’uso in condizioni estreme. Afferma il professore: «Servono soluzioni che non facciano bruciare i velivoli durante il loro rientro nell’atmosfera terrestre». Per esempio, complesse “strutture a sandwich” di compositi ceramici raffreddati con flussi di gas, che permettono una protezione termica attiva. Le frontiere della ricerca ingegneristica sui materiali porosi speciali possono poi avere ricadute su più ambiti industriali più commerciali, come per scambiatori di calore, bruciatori di riscaldamento, sistemi solari, convertitori catalitici o sistemi di filtrazione dell’acqua.
La manifattura additiva è un cambio di paradigma
Grazie alla manifattura additiva in SLS si possono creare strutture complesse in modo rapido e semplice, spiegano i ricercatori. Riassume Ortona: «Il fatto che la stampa 3D aiuti a creare nuovi paradigmi ingegneristici di sviluppo e produzione è particolarmente evidente nelle nostre applicazioni; beneficeremo sempre di più di queste nuove possibilità». Considerata anche l’accessibilità sempre maggiore di questi sistemi di nuova generazione, sempre più aziende possono approfittare delle opportunità offerte dalla stampa 3D industriale per diventare più competitive – risparmi di tempo e di costo, valore aggiunto – nei propri processi produttivi e nei prodotti proposti al mercato.
