Il metallo più leggero del mondo: il microreticolo metallico

I microreticoli metallici rappresentano una nuova classe di materiali che combinano le utili proprietà meccaniche dei metalli a un’intelligente orientazione geometrica che conferisce maggior rigidezza, rapporto resistenza peso e capacità di assorbire l’energia e gli urti. Il microreticolo metallico è costituito da piccolissimi supporti impilati in diverse configurazioni in cui la maggior parte del volume è occupato da aria. Ciò lo rende il metallo più leggero del mondo. La densità relativa e la disposizione dei rinforzi sono le principali variabili da tenere in considerazione nel design di questo materiale ultraleggero. Le proprietà meccaniche derivano da questi due parametri. Anche il metallo con cui sono costruiti i rinforzi influenza le proprietà del microreticolo. Il metallo più leggero del mondo può essere ottenuto tramite diversi processi, ognuno dei quali conferisce al prodotto finale caratteristiche particolari.

LE STRUTTURE A SANDWICH

L’applicazione delle strutture a sandwich è in crescita in numerosissime industrie: aerospaziale, dell’automobile, marina e della difesa. La grande domanda ha portato a molti miglioramenti in questo tipo di materiale. La caratteristica più importante di una struttura a sandwich è la capacità di assorbire energia e quindi di resistere agli urti. Il nucleo di una struttura a sandwich è di solito costituito da un cosiddetto “nido d’ape” o da schiume molto porose, in cui la maggior parte del volume è occupato da aria, conferendo alla struttura una grande leggerezza unita a notevoli proprietà meccaniche. Ma queste soluzioni standard non sono esenti da difetti. I nidi d’ape sono costosi e difficili da produrre, e spesso soffrono per l’umidità intrappolata all’interno del nucleo. Le schiume invece sono poco efficienti per la loro intrinseca irregolarità, che rende necessario sovradimensionare la struttura per evitare che un difetto ne comprometta la resistenza. I materiali reticolari sono sempre più utilizzati nelle strutture a sandwich per il loro elevato rapporto resistenza peso e per la loro duttilità: in base all’orientazione e alla densità dei supporti si possono ottenere le proprietà meccaniche desiderate. Celle aperte e vuote vengono sfruttate negli scambiatori di calore per permettere il passaggio di una maggior quantità di fluido, mentre celle chiuse e compatte vengono preferite per applicazioni strutturali, soprattutto dove è necessaria anche una grande leggerezza come negli aerei. Con le ultime tecnologie come la stampa in 3D si possono ottenere materiali reticolari di dimensioni micrometriche: i cosiddetti microreticoli. I rinforzi dei reticoli possono essere costituiti da materiali diversi, in base alle necessità. Il rinforzo di solito è costituito da metallo più leggero possibile: leghe di titanio, alluminio, nichel-fosforo e magnesio.

METODI PER PRODURRE IL METALLO PIÙ LEGGERO DI TUTTI

Esistono molte tecniche differenti per ottenere microreticoli metallici. Esse differiscono per costo, velocità, materiale scartato e semplicità. Ma diversi metodi di produzione danno anche vita a microreticoli con caratteristiche diverse: orientazione dei rinforzi, densità relativa delle microtravi, proprietà meccaniche e qualità superficiale.

Colata a cera persa

La colata a cera persa è uno dei metodi più utilizzati per creare strutture reticolari. Il primo passo è creare la struttura con una cera o un polimero volatile. Questa struttura viene rivestita di ceramica che poi si asciuga a formare lo stampo finale. Il materiale interno viene eliminato facendolo sciogliere o evaporare e lo stampo di ceramica ormai vuoto viene riempito col metallo liquido. Una volta solidificato il metallo, la ceramica viene eliminata e si ottiene il reticolo finale. Questo metodo permette di ottenere forme complesse con microtravi di rinforzo ben connesse. Però non permette di ottenere la minor densità relativa possibile (la minima ottenibile è del 2%), perché non è possibile creare stampi con cavità troppo piccole. Altri difetti di questo metodo sono il costo elevato, la lentezza di produzione e la limitata scelta dei materiali utilizzabili, che devono essere molto fluidi allo stato liquido.

Formatura per deformazione

La formatura per deformazione è un altro metodo che permette di produrre reticoli tramite formatura in pressa. Così si possono ottenere celle di dimensioni che vanno dal millimetro al centimetro. Fogli di metallo con fori di forma esagonale o a diamante possono essere deformati ai nodi e poi uniti per produrre reticoli con strutture tetraedriche o piramidali. Il metallo va poi ricotto per ripristinarne le proprietà meccaniche modificate dalla deformazione. I reticoli così ottenuti hanno una maggior duttilità e possono raggiungere una minima densità del rinforzo dell’1.7%.

Tessuti metallici intrecciati o uniti tramite brasatura

I microreticoli possono essere ottenuti anche a partire da tessuto metallico. Un filo metallico viene tessuto, intrecciato e cucito per ottenere una cella aperta intrecciata. Il filo può essere orientato con ogni angolo per ottenere più rinforzo e quindi una maggior resistenza nella direzione voluta. Tutti i metalli possono essere ridotti a reticolo con questo metodo. Gli usi di questo tipo di reticolo però sono limitati, a causa della debole connessione tra i fili metallici, e la densità relativa minima ottenibile è molto alta: del 10%. Più strati di tessuto metallico possono anche essere uniti non intrecciandoli ma tramite brasatura. Ciò riduce la densità relativa minima (3%) e aumenta il range di utilizzi che questo tipo di celle può avere, ma pone limiti sull’orientazione dei fili metallici.

Fusione selettiva a laser o fascio di elettroni

La fusione laser selettiva è una tecnica di manifattura additiva che può essere utilizzata per produrre il metallo più leggero del mondo. Della polvere metallica viene applicata in strati molto sottili su una struttura che poi viene fusa usando l’energia termica di un raggio laser. Gli strati del reticolo vengono costruiti fondendo la polvere e facendola risolidificare. Un computer guida il laser per fondere la polvere con grande precisione solo nei punti desiderati. Così si evita lo spreco di materiale: un problema presente in tutte le altre tecniche di produzione di microreticoli. Moltissimi metalli possono essere ridotti in polvere e formati tramite fusione laser selettiva, e in teoria con questo processo si possono ottenere reticoli di tutte le forme desiderate. Questa tecnica però è poco usata per la difficoltà e il costo elevato della preparazione delle polveri metalliche. Inoltre col laser è difficile ottenere rinforzi orizzontali: l’angolo minimo delle microtravi ottenibile con questa tecnica è di 25°. Una tecnica molto simile consiste nell’utilizzare un fascio di elettroni invece del raggio laser per riscaldare la polvere metallica. Questa tecnica è più economica e veloce ma genera reticoli di qualità minore.

Tecnica a guida d’onda fotopolimerica autopropagante

Microreticoli metallici possono essere realizzati tramite la cosiddetta tecnica a guida d’onda fotopolimerica autopropagante. Questa permette di produrre microreticoli con tubi cavi ultraleggeri, con una densità minima di appena 0.9 milligrammi al centimetro cubo. Il primo passo è produrre un modello della struttura del reticolo desiderata con un polimero, che da liquido viene solidificato esponendolo a raggi ultravioletti. Questo modello viene ricoperto con un sottilissimo strato di metallo e poi eliminato con un acido che non attacca il metallo ma distrugge il polimero. Grazie a questa tecnica si può ottenere il metallo più leggero in assoluto, con una densità relativa minima dei rinforzi dello 0.01%. Ciò vuol dire che si possono ottenere microreticoli composti per il 99.99% di spazi vuoti.

LE PROPRIETÀ MECCANICHE DEL METALLO PIÙ LEGGERO

Le proprietà meccaniche dei microreticoli metallici dipendono da vari fattori: le proprietà del metallo di cui sono composti i rinforzi, le dimensioni e la forma delle celle, la periodicità e le connessioni tra i muri delle celle o tra le microtravi, la quantità di rinforzo e quindi di spazi vuoti, la densità relativa della struttura, la tecnologia di produzione. I microreticoli hanno una risposta alla deformazione da sforzo dominata dalla flessione. Presentano una significativa zona piana nel diagramma sforzo-deformazione seguita da un picco di sforzo quando soggetti a compressione uniassiale. L’orientamento delle micro-travi determina i meccanismi di micro-fratture con una predilezione per la configurazione piramidale. Ci sono tre tipi principali di difetti: dovuti a tensione, compressione e deformazione delle travi. Sebbene attualmente siano disponibili dati sperimentali limitati sul comportamento dei microreticoli metallici soggetti a urti e carichi da impatto, questa nuova classe di materiali mostra un grande potenziale per l’applicazione in strutture soggette a ripetuti e intensi urti.

APPLICAZIONI DEL MICRORETICOLO METALLICO

Attualmente, i microreticoli metallici ultraleggeri sono al centro della ricerca per applicazioni quali isolamento termico, assorbimento o smorzamento di energia e di vibrazioni, energia sonora, energia termica, elettrodi di batterie. Ma il metallo più leggero finora scoperto può offrire molte altre possibilità. Potrebbe essere utilizzato in tutti i campi in cui oggi vengono impiegati altri materiali ultraleggeri, e anche altre applicazioni come filtrazione e separazione, supporti per catalizzatori, stoccaggio e trasferimento di liquidi, controllo del flusso di fluidi, silenziatori, purificazione, controllo acustico, rompifiamma ecc. I microreticoli possono assorbire una grande quantità di energia, quindi sono adatti per produrre dispositivi di accumulo di energia come molle e sospensioni grazie alla capacità di tornare allo stato originale dopo essere stati compressi. Aerei e auto del futuro potranno trarre grande vantaggio dalla riconquista della forma originale dopo urti e impatti e dalla maggiore leggerezza dei microreticoli rispetto ai materiali attualmente utilizzati. I microreticoli possiedono anche una grande conduttività termica ed elettrica, sono altamente strutturato e in grado di gestire alte temperature. Questi materiali potrebbero essere applicati in numerose strutture aerospaziali come satelliti, telescopi spaziali e aeroplani.