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Le parti in ceramica resistenti al calore sono ora stampabili in 3D
La promessa della produzione additiva o della stampa 3D, una produzione più rapida ed economica di parti più personalizzabili, è limitata dalla gamma di materiali stampabili, che fino ad ora includeva principalmente polimeri e alcuni metalli. Ora possiamo aggiungere la ceramica, un'importante classe di materiali la cui elevata resistenza e resistenza al calore, al degrado chimico e all'attrito li rendono attraenti per l'uso nell'industria militare e aerospaziale per qualsiasi cosa, dalle parti esterne degli aeroplani ai piccoli componenti per i razzi.
Una girante in ceramica di dimensioni millimetriche, un componente meccanico rotante utilizzato per trasmettere il movimento di un fluido in pompe e turbine.
Grazie a un trucco della scienza dei materiali dimostrato dai ricercatori del Laboratori HRL , gli ingegneri possono ora utilizzare la produzione additiva per costruire rapidamente parti in ceramica personalizzate e complesse che sfruttano tutte queste interessanti proprietà contemporaneamente.
È difficile trasformare la ceramica in parti durevoli, specialmente quelle con forme complesse. I materiali non sono compatibili con le tecniche di produzione convenzionali come la lavorazione a macchina e la colata e il metodo tipico prevede l'utilizzo del calore per consolidare la polvere e costruire forme solide. Questo approccio, che può essere utilizzato anche nella produzione additiva, non è molto affidabile, tuttavia, e introduce comunemente difetti che possono portare a crepe e fratture.
Un cavatappi in ceramica, lungo poco più di 20 micrometri, illustra la fine risoluzione possibile tramite la stampa 3D stereolitografica.
I ricercatori di HRL Labs hanno aggirato questo problema sviluppando una nuova resina stampabile composta dai cosiddetti polimeri preceramici, che possono essere convertiti in ceramica riscaldandoli ad alte temperature. Hanno dimostrato che la nuova resina è compatibile con una popolare tecnica di produzione additiva chiamata stereolitografia, in cui un raggio laser viene utilizzato per costruire strutture strato dopo strato da un polimero liquido. I ricercatori hanno anche dimostrato che funziona con una tecnica specializzata che utilizza la luce ultravioletta e maschere modellate per costruire strutture 3-D complesse come i reticoli, da 100 a 1.000 volte più rapidamente della stereolitografia convenzionale. Dopo la stampa, i ricercatori hanno riscaldato le parti per trasformarle in ceramica e hanno dimostrato le loro impressionanti proprietà meccaniche.
Un reticolo ceramico curvo illustra la capacità di produrre strutture intricate in forme non convenzionali.
Due classi di utili parti in ceramica: strutture reticolari grandi e molto leggere che potrebbero essere utilizzate in pannelli resistenti al calore e altre parti esterne di aeroplani e veicoli spaziali e parti piccole e complesse da utilizzare in sistemi elettromeccanici o componenti di motori a reazione e razzi — sono ora stampabili grazie al nuovo approccio, afferma lo scienziato senior di HRL Labs Tobias Schaedler, che ha guidato la ricerca.
Un bordo d'attacco stampato in 3D, o la parte dell'ala di un aereo o di un veicolo spaziale che per prima entra in contatto con l'aria. Le facce della parte racchiudono una struttura a traliccio.
Schaedler afferma che il gruppo ora ha finanziamenti dalla DARPA, che ha anche sostenuto questa ricerca, per utilizzare la nuova tecnica per sviluppare un aeroshell in ceramica, essenzialmente uno scudo che protegge la navicella spaziale o il velivolo ipersonico da calore, pressione e detriti. Le schiume ceramiche sono interessanti per questa applicazione a causa delle loro proprietà termiche, ma le loro scarse proprietà meccaniche le rendono ampiamente inadatte all'uso in strutture portanti, afferma Stefanie Tompkins, direttrice dell'Ufficio per le scienze della difesa della DARPA. Le strutture reticolari in ceramica create da HRL Labs sono 10 volte più resistenti delle schiume disponibili in commercio.