Le strutture dei gamberetti mantis offrono un'incredibile robustezza con la tecnologia di stampa 3D

Oct 09, 2023

Un team di ricercatori internazionali si è rivolto a madre natura nel tentativo di stampare in 3D materiali compositi ceramici con caratteristiche di tenacità di ispirazione biologica.

I compositi ceramici con proprietà resistenti ai danni sono molto richiesti, poiché la tenacità è un requisito fondamentale in un'ampia varietà di applicazioni industriali. Questi materiali tendono anche a offrire combinazioni di stabilità chimica e meccanica, qualificandoli per l’uso in qualsiasi settore, dal settore automobilistico e aerospaziale ai sistemi energetici.

Sfortunatamente, molte delle attuali tecniche convenzionali di lavorazione dei compositi ceramici, come la modellazione del ghiaccio o la fusione a freddo, non sono in grado di creare parti con geometrie complesse e personalizzate, a causa delle limitazioni nella produzione degli stampi.

Il team internazionale sta ora esplorando come le strutture protettive presenti nei gamberetti mantide possano essere utilizzate insieme alla stampa 3D con elaborazione della luce digitale (DLP) per creare componenti compositi ceramici geometricamente complessi.

Cosa c'è di così speciale nei gamberetti di mantide?

I gamberetti di mantide, noti anche come stomatopodi, sono un tipo di piccoli crostacei marini multicolori. Sono ben noti per la loro natura aggressiva e la caratteristica appendice a forma di pugno chiamata mazza dattilo.

L'arma integrata viene utilizzata per distruggere e uccidere prede dal guscio duro come granchi e lumache, muovendosi con una forza incredibile per sfondare anche il guscio più protettivo. Si ritiene infatti che le mazze dattilo possano raggiungere accelerazioni fino a 10.000 g, provocando impatti pari alla velocità di un proiettile calibro .22.

Ma cosa li rende così resistenti? Le mazze Dactyl sono caratterizzate da una struttura bi-continua che le aiuta ad assorbire gli impatti e a filtrare le onde di taglio dannose senza sudare. La fase organica è costituita da chitina, un composto comunemente presente nei gusci di insetti e crostacei, mentre la fase inorganica è composta da fosfato di calcio amorfo e carbonato di calcio.

Insieme, la struttura a doppio problema forma un effetto schermante resistente alle crepe che protegge la mazza, con grande sgomento della preda della canocchia.

Miglioramenti della durezza di 116x

Nel presente studio, il gruppo di ricerca ha reso omaggio ai lavori della selezione naturale e alle strutture composite ceramiche complesse stampate in 3D con fasi bi-continue di zirconio/epossidiche.

Per testare quanto fossero resistenti le strutture biomimetiche stampate, hanno applicato il concetto all’odontoiatria restaurativa, stampando in 3D una serie di ponti intermedi con il 75% vol. zirconio. Le pareti ceramiche graduate dei ponti sono aumentate linearmente in spessore da 0,3 mm a 0,7 mm, mostrando distribuzioni graduate delle sollecitazioni che disperdono eventuali sollecitazioni di compressione sulle parti in modo uniforme.

In una serie di test di compressione, il team ha scoperto che i compositi ceramici stampati aumentavano la resistenza fino al 213% rispetto alla ceramica pura. Il modulo di Young è aumentato solo leggermente nelle parti stampate. Sorprendentemente, anche la durezza delle strutture stampate è aumentata fino a 116 volte, il tutto consentendo geometrie uniche che sarebbero state impossibili da produrre utilizzando tecniche convenzionali.

In definitiva, lo studio si dimostra molto promettente quando si tratta di biomimare l’architettura bi-continua dei gamberetti mantide. I compositi ceramici stampati in 3D hanno mostrato eccellenti caratteristiche di tenacità e resistenza alla compressione, che sono particolarmente utili nelle applicazioni di restauro dentale personalizzato.

Ulteriori dettagli sullo studio possono essere trovati nel documento intitolato “Stampa 3D di compositi ceramici con design di rinforzo biomimetico”.

Questo non è certamente il primo pezzo di ricerca sulla produzione additiva incentrata sulla biomimetica. Proprio di recente, un team di ricercatori statunitensi ha utilizzato la tecnologia di stampa 3D per creare ventose adesive ispirate ai polpi. Il team, guidato da Virginia Tech, ha sviluppato un proprio sistema nervoso ispirato alla natura in grado di rilevare oggetti e attivare automaticamente l’adesione nel giro di pochi millisecondi. La pelle adesiva è stata integrata in un guanto indossabile, fornendo un nuovo modo di manipolare gli oggetti in un ambiente sottomarino.