I materiali del futuro
Il laboratorio di Paolo Ermanni dell'ETH di Zurigo sta sviluppando i materiali compositi del futuro. Ottimizzando gli elementi fondamentali delle strutture a sandwich, i ricercatori stanno creando materiali estremamente leggeri, robusti e adattabili allo stesso tempo - e quindi ideali per le applicazioni aerospaziali.
Materiali leggeri e robusti, dimensionalmente stabili ma adattabili in modo flessibile e che possano essere prodotti in modo sostenibile e a basso consumo di risorse: ciò che sembra quasi impossibile come la quadratura del cerchio sta diventando realtà giorno dopo giorno nel laboratorio di Paolo Ermanni all'ETH di Zurigo. "La nostra filosofia è quella di sviluppare moderni materiali compositi per sistemi adattivi e di ottimizzare l'efficienza strutturale nel processo - in altre parole, di ottenere un minor consumo di materie prime con le stesse prestazioni o una maggiore funzionalità con lo stesso apporto di materiale", spiega Paolo Ermanni, professore di Materiali compositi e Strutture adattive all'ETH. Allo stesso tempo, lui e i suoi collaboratori stanno ricercando processi di produzione appropriati che renderanno i nuovi materiali interessanti anche per le applicazioni pratiche.
Struttura in un sandwich
Christoph Karl, dottorando di Ermanni, sta lavorando sull'aspetto dell'"efficienza strutturale" di questi futuri materiali. "Grazie alla loro elevata rigidità e resistenza combinata con un peso ridotto, la costruzione a sandwich è spesso utilizzata per strutture leggere", spiega. Le strutture a sandwich sono tipicamente costituite da due sottili strati di copertura ad alta rigidità e da un materiale centrale a bassa densità. "Nella nostra ricerca, sviluppiamo compositi sandwich ad alte prestazioni realizzati con plastiche rinforzate con fibre di carbonio, note anche come CFRP o carbonio. L'anima è costituita da un'intelaiatura di barre di fibra di carbonio", spiega Karl. Grazie alle buone proprietà meccaniche del carbonio, queste strutture possono raggiungere una maggiore rigidità e resistenza rispetto alle tradizionali strutture a nido d'ape e in schiuma.
Secondo Karl, un altro vantaggio fondamentale dei nuclei a traliccio è che possono essere progettati in base al carico: "Le proprietà meccaniche del sandwich composito dipendono molto dalla topologia dell'anima, cioè dalla disposizione e dall'orientamento delle barre nell'anima. Utilizzando ottimizzazioni numeriche, possiamo adattare l'allineamento delle barre ai carichi esterni e quindi, a seconda dell'applicazione, massimizzare l'efficienza strutturale".
Applicazioni nell'industria aerospaziale
Il nucleo di un materiale sandwich costruito e ottimizzato in questo modo pesa meno di 30 chilogrammi per metro cubo (per fare un confronto: un metro cubo di acciaio pesa quasi 8.000 chilogrammi). "Questo rende i nostri materiali particolarmente interessanti per le applicazioni aerospaziali, dove l'efficienza strutturale è di fondamentale importanza", spiega Karl. "L'uso delle nuove strutture a sandwich è oggetto di studio nell'ambito del progetto europeo ALTAIR, condotto dal centro di ricerca aerospaziale francese Onera. Il gruppo di ricerca di Ermanni è impegnato nello sviluppo di strutture portanti per nuovi sistemi di lancio per piccoli satelliti.
Parti di auto futuristiche
Oleg Testoni, invece, sta lavorando su strutture flessibili e adattive. Nell'ambito dell'area strategica "Advanced Manufacturing" dell'ETH, il dottorando sta sviluppando tecniche con cui le strutture a sandwich possono essere adattate in modo flessibile e dinamico. Ciò potrebbe essere utilizzato, ad esempio, per costruire spoiler futuristici o passaruota per auto sportive che possono essere deformati durante la guida per ottimizzare l'aerodinamica dell'auto per una specifica velocità o posizione degli pneumatici in curva.
Cambio di materiale
Per ottenere questa flessibilità mantenendo la robustezza del materiale, nelle strutture a sandwich sono integrati elementi semi-attivi, i cosiddetti interruttori meccanici. "Questi permettono di allentare temporaneamente le aste nel nucleo per adattare la forma. Vengono poi bloccate di nuovo in modo che il materiale riacquisti la sua rigidità originale", spiega Testoni.
Questi interruttori meccanici possono essere costruiti utilizzando "materiali intelligenti" come le leghe a memoria di forma. Un componente realizzato con queste leghe può assumere due forme diverse a seconda della temperatura. Al di sopra di una certa temperatura critica, la sua forma cambia, ma quando si raffredda ritorna alla sua forma originale. Se molti di questi interruttori meccanici sono incorporati nello stato maggiore di una struttura a sandwich, la forma dell'intero materiale può essere modificata.
Stampa 3D per anime di carbonio
Tuttavia, Ermanni e i suoi collaboratori non si occupano solo di ricerca fondamentale sui materiali. La società di apertura 9T Labs, co-fondata dal dottorando di Ermanni Martin Eichenhofer, sta sviluppando un processo di stampa 3D che può essere utilizzato per produrre parti in carbonio di alta qualità, come gli stati maggiori per le strutture a sandwich, in modo robusto e flessibile. "L'obiettivo principale è quello di ampliare la gamma di applicazioni di questi materiali attraverso nuovi processi di produzione, consentendo così anche alle aziende più piccole di produrli. In questo modo si 'democratizza' la tecnologia delle costruzioni leggere, per così dire", afferma Eichenhofer. I primi prodotti per la stampa 3D dovrebbero arrivare sul mercato già nel 2019. "Questo processo apre anche la possibilità di integrare in futuro elementi attivi direttamente nel processo di stampa, cioè di realizzare la stampa 4D", aggiunge Ermanni.