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La nuova tecnica di stampa 3D realizza parti in ceramica
Un nuovo modo di realizzare questi materiali resistenti potrebbe essere un passo fondamentale nella produzione di migliori motori per aeroplani e parti di macchine di lunga durata. 19 aprile 2016
La ceramica è uno dei materiali più duri sulla Terra. Possono resistere a temperature estreme e alcuni sono resistenti all'attrito, ai graffi e ad altre sollecitazioni meccaniche che consumano metallo e plastica. Ma può essere difficile creare forme complesse con i materiali.
L'ingegnere chimico Zak Eckel e il capogruppo Tobias Schaedler.
I chimici degli HRL Laboratories di Malibu, in California, potrebbero aver aggirato il problema sviluppando ceramiche che possono essere realizzate con una stampante 3-D. Il risultato: oggetti ultra resistenti impossibili da realizzare con i metodi convenzionali.
Questa storia faceva parte del nostro numero di maggio 2016
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La ceramica è utilizzata oggi nelle pastiglie dei freni, negli alloggiamenti della microelettronica e nelle piastrelle di schermatura termica (come quelle dei veicoli spaziali). Ora gli scienziati di HRL stanno cercando di espandere sostanzialmente le applicazioni. Se le parti dei motori aeronautici fossero, ad esempio, in ceramica, i motori potrebbero funzionare a una temperatura più elevata, aumentandone l'efficienza.
La ceramica potrebbe anche offrire un aggiornamento sulle parti utilizzate nelle turbine a vapore e in altre macchine che devono resistere a condizioni ardenti e meccanicamente difficili. Il laboratorio è in comproprietà con Boeing e General Motors, e il progetto ha alcuni finanziamenti da DARPA, il braccio di ricerca e sviluppo del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti.
A sinistra: questo bicchiere di resina contiene precursori polimerici che possono essere eseguiti attraverso una stampante 3-D per creare oggetti. A destra: nella stampante, la luce ultravioletta colpisce la resina, indurendola per creare le cose uno strato alla volta.
A sinistra: questo bicchiere di resina contiene precursori polimerici che possono essere eseguiti attraverso una stampante 3-D per creare oggetti. A destra: nella stampante, la luce ultravioletta colpisce la resina, indurendola per creare le cose uno strato alla volta.
Dopo circa 90 minuti di stampa, questa piccola parte, una girante, fuoriesce dal bagno di resina. Le giranti sono utilizzate nelle turbine a vapore e in altri macchinari che devono resistere all'usura e alle alte temperature.
A sinistra: la parte stampata viene trattata in una fornace per cuocere il polimero e trasformarlo in ceramica. Nel processo, la parte si restringe di circa il 30 percento. A destra: Schaedler si prepara a estrarre la parte in ceramica dal forno a 1.000 °C.
A sinistra: la parte stampata viene trattata in una fornace per cuocere il polimero e trasformarlo in ceramica. Nel processo, la parte si restringe di circa il 30 percento. A destra: Schaedler si prepara a estrarre la parte in ceramica dal forno a 1.000 °C.
Per testare la tolleranza al calore del materiale, gli scienziati di HRL lo hanno sottoposto a una torcia a circa 1.200 °C.
Il trucco di HRL è formulare resine speciali che possono essere utilizzate come inchiostro in una stampante. Sono fatti di polimeri ma contengono nella loro struttura molecolare silicio e altri elementi che si trovano nella ceramica. Queste resine vengono caricate in stampanti 3D per realizzare parti con forme barocche, come cavatappi e fogli di intricati reticoli. Quindi quelle parti vanno in una fornace per cuocere i componenti del polimero organico, lasciando dietro di sé materiale ceramico.
Pezzi più grandi di rete in ceramica stampata e fogli reticolari come questi potrebbero essere usati per proteggere i veicoli spaziali da temperature estreme.
Le ceramiche stampate in 3D potrebbero essere migliori per alcuni aspetti rispetto alle loro controparti convenzionali. Un reticolo prodotto da HRL ha una resistenza alla compressione 10 volte superiore a quella delle ceramiche disponibili in commercio. Queste parti stampate possono anche tollerare temperature fino a 1.700 °C, una temperatura alla quale altre ceramiche iniziano a degradarsi.
Ma il gruppo spera ancora di rafforzare le sue ceramiche stampate. Un approccio consiste nel progettare nuovi tipi di polimeri preceramici che hanno fibre incorporate per impedire la diffusione delle crepe. Le ceramiche sono fragili e possono guastarsi catastroficamente con una crepa. Non andrebbe bene se un minuscolo difetto provocasse la rottura di una nuova parte intelligente.