Che cosa succederebbe se le debolezze intrinseche di un materiale venissero sfruttate a proprio vantaggio per realizzare un nuovo materiale in grado di rendere più robuste case ed edifici durante le calamità naturali (ad es.: incendi e terremoti?
Il cemento è uno dei principali ingredienti del calcestruzzo e viene utilizzato per costruire vari elementi di una infrastruttura. I ricercatori hanno utilizzato una tecnica di stampa 3D per far diventare il cemento più resistente sotto pressione prendendo spunto da ciò che fa la natura con i gusci di alcuni artropodi (ad es.: aragoste e coleotteri).
«La natura fa da sempre i conti con le debolezze per sopravvivere, stiamo usando le debolezze dei materiali basati sul cemento per incrementarne la loro durezza» scrive Jan Olek professore presso la scuola di ingegneria civile della Purdue University.
Immagine 1 - La prima pasta di cemento stampata in 3D mostra risultati promettenti per rendere le infrastrutture più resistenti ai carichi meccanici, come quelli che si verificano durante le calamità naturali. Credits: Purdue University Concrete 3D Printing Team/Mohamadreza Moini.
L'idea è quella di usare oggetti ispirati agli artropodi per controllare in che modo i danni si diffondono attraverso gli strati stampati di un materiale, allo stesso modo in cui si prova a spezzare un fascio di spaghetti invece di un singolo spaghetto.
«Gli esoscheletri degli artropodi hanno dei meccanismi di propagazione delle crepe e di irrobustimento che possiamo riprodurre nella pasta di cemento stampata in 3D» scrive Pablo Zavattieri professore di ingegneria civile presso la Purdue University.
I materiali basati sul cemento che vengono stampati in 3D (come ad esempio la pasta di cemento, la malta e il calcestruzzo) potrebbero fornire agli ingegneri un maggiore controllo sulla progettazione e sulle prestazioni di determinati elementi chiave di un’infrastruttura.
Gli ingegneri della Purdue University sono stati i primi ad utilizzare la stampa 3D per creare strutture biomimetiche utilizzando la pasta di cemento.
«La stampa 3D ha eliminato il bisogno di creare uno stampo per ogni tipo di progetto, in questo modo siamo stati in grado di ottenere queste proprietà uniche per i materiali basati sul cemento, caratteristiche impossibili da ottenere prima d'ora» scrive Jeffrey Youngblood professore di ingegneria dei materiali presso la Purdue University.
Il team di ricercatori ha utilizzato inoltre delle micro scansioni TAC per comprendere meglio il comportamento dei materiali a base di cemento stampati in 3D e sfruttare a loro vantaggio le i punti deboli, un esempio sono le regioni dei pori che si trovano nelle interfacce tra gli strati stampati: tali regioni sono responsabili della diffusione delle crepe. I risultati dello studio sono stati presentati durante la prima conferenza internazionale sulla fabbricazione digitale del calcestruzzo.
Immagine 2 - I nuovi modelli permettono agli elementi stampati in 3D a base di pasta di cemento di avere comportamenti differenti, come ad esempio quello una molla. Credits: Purdue University Concrete 3D Printing Team video/Mohamadreza Moini
«La stampa in 3D dei materiali a base di cemento fornisce un controllo sulla loro struttura, ciò può portare alla creazione di elementi strutturali tolleranti ai difetti (ad esempio travi o colonne)» scrive Mohamadreza "Reza" Moini candidato PhD per la facoltà di ingegneria civile della Purdue University.
In origine il team si è ispirato alla canocchia (crostaceo marino della specie Squilla mantis anche conosciuta come cicala di mare) che cattura le sue prede con una appendice, tale appendice diventa più dura a seguito delle torsioni generate dall'impatto con la preda. Tali torsioni dissipano l'energia dell'impatto e prevengono la rottura in mille pezzi dell'appendice.
Alcuni degli elementi biomimetici della pasta di cemento progettati e realizzati dal team di ricercatori sono stati prodotti utilizzando tecniche di stampa in 3D che includono le architetture: nido d'ape, Compliant e Bouligand.
Quest’ultima architettura ha reso possibile nuovi comportamenti negli elementi stampati in 3D non appena è avvenuto l’indurimento. L'architettura Bouligand ad esempio sfrutta le interfacce deboli per rendere un materiale più resistente alle crepe, l'architettura Complaint invece rende gli elementi a base di cemento simili ad una molla anche se sono realizzati con un materiale fragile.
Video - 3D Printed Cement‐Based Materials with Bioinspired Design
Il team di ricercatori sta cercando altri modi che potrebbero essere utilizzati per progettare elementi a base di cemento in grado di rendere le strutture degli edifici maggiormente resilienti agli stress meccanici.
Lo studio "Additive Manufacturing and Performance of Architectured Cement-Based Materials" è stato pubblicato sulla rivista Advanced Materials.
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