Ceramica stampata dalla schiuma
I ricercatori dell'ETH hanno stampato un componente ceramico estremamente poroso utilizzando un processo di fabbricazione additiva. Produrre un materiale del genere con una stampante 3D è un'impresa non da poco.
La dottoranda Carla Minas del gruppo Materiali complessi dell'ETH del professor André Studart ha creato un materiale ceramico altamente poroso ma estremamente robusto. Lo ha "stampato" utilizzando un processo di fabbricazione additiva. Il trucco è stato quello di utilizzare un'emulsione ceramica stabile come "inchiostro" che non collassa durante e dopo la stampa. Questa tecnica può essere utilizzata per produrre strutture porose complesse, simili a quelle presenti in natura sotto forma di ossa o diatomee.
I ricercatori sui materiali hanno appena pubblicato il processo e la schiuma ceramica risultante sulla rivista scientifica "Advanced Materials".
Schiuma stampabile con olio e un mixer da cucina
Per la stampa 3D, il ricercatore ha utilizzato un'emulsione o schiuma composta da una soluzione acquosa, particelle ceramiche di ossido di alluminio (Al2O3) e alcuni additivi. Nella schiuma le bolle sono riempite d'aria, nell'emulsione di gocce d'olio. I ricercatori possono utilizzare sia la schiuma che l'emulsione per la stampa. Tuttavia, le due forme danno luogo a pori di dimensioni diverse.
I ricercatori del laboratorio di Studart avevano precedentemente sviluppato la sospensione su cui si basa il processo. Minas l'ha utilizzata per creare un'emulsione aggiungendo olio e mescolando vigorosamente. In questo modo si ottengono goccioline di olio di varie dimensioni circondate da particelle di ceramica. Le particelle di ceramica sono state modificate in modo da posizionarsi preferenzialmente sulla superficie delle goccioline. Questo strato di particelle stabilizza le gocce e impedisce loro di fondersi con le gocce vicine. Un'elevata percentuale di olio crea una fitta rete di gocce stabilizzate. La struttura ceramica impedisce inoltre che la struttura dei pori venga distrutta durante l'essiccazione e la cottura.
La viscosità aumenta con il contenuto di olio e di particelle
Questa rete è la base per le specifiche proprietà di flusso richieste dalla stampa 3D. ? possibile impostare anche la dimensione delle gocce e quindi il futuro spazio dei pori. "Questo dipende dalla viscosità della massa. Più alto è il contenuto di particelle e olio, più viscosa è l'emulsione ceramica e più piccole sono le gocce", spiega Minas.
Come ulteriore additivo ha utilizzato l'alcol polivinilico (PVA), un polimero corto. Anche questo si accumula preferenzialmente all'interfaccia tra olio e acqua, spostando le particelle dal rivestimento ceramico che circonda le gocce. Le molecole di PVA fungono da segnaposto per i sottili canali che collegano le gocce vicine.
Utilizzando la scrittura diretta dell'inchiostro (DIW), una tecnica di produzione additiva ampiamente utilizzata, il ricercatore di materiali ha infine stampato una struttura reticolare tridimensionale con l'emulsione ceramica. Questa è stata essiccata a temperatura ambiente e poi indurita a 1600°C in un forno. Durante l'essiccazione, l'olio è evaporato e la cottura ha distrutto le molecole di PVA e compattato il rivestimento ceramico intorno ai pori. ? rimasta una struttura ceramica dura, in cui la struttura dei pori della schiuma è stata perfettamente conservata.
I pori collegano i pori
La struttura ceramica presenta pori fino a tre ordini di grandezza: I pori più grandi sono formati dalla struttura reticolare con una dimensione delle maglie liberamente selezionabile. Le gocce d'olio creano il livello successivo di pori, mentre i pori più piccoli sono creati dal PVA. La percentuale di pori raggiunge il 95% del volume del materiale. Tuttavia, il materiale è estremamente robusto dal punto di vista meccanico, come dimostrano i test di carico.
"Finora le strutture reticolari i cui filamenti non presentano pori venivano chiamate anche schiuma", spiega André Studart. Tuttavia, la loro struttura è veramente porosa, poiché ogni filamento è a sua volta poroso e i pori sono a loro volta collegati tra loro da pori. "Esistono formazioni preliminari naturali per questi materiali: Le ossa, il bambù o il legno sono costruiti secondo un principio analogo", spiega l'ETH.
Il principio della stampa 3D di emulsioni e schiume stabilizzate di ceramica può essere utilizzato non solo per l'ossido di alluminio, ma anche per diverse altre ceramiche. La ricercatrice è stata anche in grado di combinare diversi "inchiostri" in un unico processo di stampa. Questo le ha permesso di produrre strutture complesse con diverse suddivisioni di materiali. A seconda dell'applicazione, il materiale e la sua struttura possono essere ottimizzati per ottenere le massime prestazioni possibili.
Adatto all'industria
L'obiettivo di questo lavoro di ricerca era quello di creare un materiale che avesse la massima resistenza meccanica con il minimo apporto di materiale; proprietà che i materiali leggeri devono avere. Grazie all'elevata porosità, è inoltre possibile ottenere il massimo flusso attraverso una struttura con un'ampia superficie. Le strutture ceramiche prodotte con questo metodo sarebbero quindi adatte ad applicazioni come catalizzatori nell'industria chimica, nella biomedicina o nel settore energetico.
I ricercatori di Studart hanno sviluppato questa schiuma ceramica anche per quest'ultima: Il Centro di Ricerca IBM di Rüschlikon (ZH) sta attualmente conducendo un'intensa attività di ricerca su come utilizzare il calore residuo per riscaldare e raffreddare le case senza bisogno di energia aggiuntiva. Ciò richiede materiali in grado di assorbire l'acqua in modo altamente efficiente e di rilasciare calore nel processo. La stampa di emulsioni o schiume consente di ottenere un'architettura ottimale di tali materiali.
Il progetto è stato realizzato nell'ambito del Programma nazionale di ricerca (PNR) 70 "Svolta energetica", al quale partecipa il gruppo di Studart.
Letteratura di riferimento
Minas C, Carnelli D, Tervoort E, Studart AR. Stampa 3D di emulsioni e schiume in ceramiche porose gerarchiche: Advanced Materials, 2016. doi: pagina esterna10.1002/adma.201603390