Progettazione ad incastro, produzione laser programmabile e test per ceramiche architetturate

Oct 07, 2023

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 17330 (2022) Citare questo articolo

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I sistemi ceramici robusti e resistenti agli urti offrono un’ampia gamma di straordinarie opportunità oltre a quelle offerte dalle fragili ceramiche convenzionali. Tuttavia, nonostante le promesse, la disponibilità di tecniche di produzione tradizionali per realizzare strutture ceramiche così avanzate in modo altamente controllabile e scalabile pone un significativo collo di bottiglia nella produzione. In questo studio, è stato utilizzato un sistema di produzione laser preciso e programmabile per produrre ceramiche topologicamente ad incastro. Questa strategia di produzione offre meccanismi fattibili per un’architettura materiale precisa e un controllo quantitativo del processo, in particolare quando si considera la scalabilità. Un metodo di rimozione del materiale ottimizzato che si avvicina alla modellatura quasi netta è stato impiegato per fabbricare sistemi ceramici topologicamente interconnessi (assiemi portanti di blocchi costitutivi che interagiscono per contatto e attrito) con diverse architetture (ad esempio, angoli di incastro e dimensioni dei blocchi costitutivi) soggetti a basse condizioni di impatto in velocità. Questi impatti sono stati valutati utilizzando la correlazione delle immagini digitali 3D. Le ceramiche interbloccate ottimali hanno mostrato una deformazione maggiore (fino al 310%) rispetto alle altre ceramiche interbloccate vantaggiose per protezioni flessibili. Le loro prestazioni sono state ottimizzate controllando l'angolo di incastro e le dimensioni dei blocchi, regolando lo scorrimento per attrito e riducendo al minimo i danni ai blocchi. Inoltre, la tecnica di produzione sottrattiva sviluppata porta alla fabbricazione di sistemi ceramici robusti, resistenti agli urti e tolleranti ai danni con eccellente versatilità e scalabilità.

I sistemi ceramici tenaci e resistenti agli urti rappresentano una rivoluzione continua nei materiali e nelle strutture per applicazioni aerospaziali, marine, automobilistiche, edili e per armature1. Le loro eccezionali proprietà (ad esempio bassa densità, elevata resistenza alla compressione, elevata stabilità termica ed elevata resistenza all'ossidazione e alla corrosione), nonché una maggiore tenacità e resistenza agli impatti multipli offrono vantaggi unici rispetto ai tradizionali sistemi ceramici rigidi. Tra le numerose possibilità, la ceramica resistente è emersa come candidata ideale per condizioni termo-meccaniche estreme come i sistemi di protezione termica nei motori a turbina a gas, i bordi d'attacco o i componenti dei motori con ugelli2. Le ceramiche architettoniche, in particolare, hanno attirato un'attenzione significativa grazie alle loro elevate prestazioni meccaniche (vale a dire, rigide, tenaci, resistenti agli impatti multipli e tolleranti ai danni) nelle applicazioni ingegneristiche avanzate3. La natura intrinseca rigida e fragile a livello dei singoli componenti può essere tradotta con successo in una maggiore tenacità a livello strutturale complessivo tramite la bioispirazione, come si vede nei materiali biologici come osso4, madreperla5, smalto dei denti6 o spicole di spugna7. Tra le strategie di bioispirazione che offrono un miglioramento della tenacità, il "concetto topologicamente interconnesso" consiste in elementi costitutivi duri e rigidi legati lungo interfacce deboli8,9,10. La sfida sta nella produzione precisa e scalabile a livello industriale di tali strutture migliorate meccanicamente8,11,12,13.

Sia le tecnologie avanzate di produzione sottrattiva che quella additiva sono emerse come soluzioni promettenti per la fabbricazione di ceramiche architetturate con sofisticati design architettonici14,15. La tecnica di produzione sottrattiva considerata comprende l'uso di sistemi laser avanzati per sviluppare architetture tridimensionali (3D) in materiali fragili (ad esempio vetro), con conseguente migliore resistenza ai carichi di impatto quasi statici e a bassa velocità16. Tuttavia, vi sono notevoli inconvenienti nell’uso di tecnologie di produzione sottrattiva per la lavorazione di materiali fragili. Esempi di questi ostacoli ingegneristici includono la complessità dell'ottimizzazione dei parametri di processo per varie e diverse configurazioni laser, composizioni e spessori dei materiali e obiettivi geometrici/topologici. Sono stati condotti studi significativi sugli effetti parametrici di vari parametri del laser a fibra, compreso l'effetto della fluenza sulla velocità di ablazione17,18, del passo del raster sulla rugosità superficiale19 e della velocità trasversale e della posizione focale sulla qualità del taglio20. I risultati di questa ricerca hanno portato alla minimizzazione delle increspature e all'eliminazione delle crepe durante il taglio per ablazione. Sebbene siano stati condotti molti studi sulla progettazione e sull'assemblaggio (ad esempio lavorazione meccanica, fusione o produzione additiva) di vetri o ceramiche topologicamente interconnessi10,21, è stata data meno considerazione allo sviluppo di tecniche di produzione sottrattiva precise, quasi nette e scalabili industrialmente per fabbricare tali ceramiche architetturate.