Progettare le automobili, gli aerei e le imbarcazioni del futuro prendendo come riferimento l’architettura di un osso umano. È questa l’idea alla base di una ricerca sviluppata nei laboratori del Dipartimento di ingegneria meccanica, energetica, gestionale e dei trasporti – DIME dell’Università di Genova, che ha portato alla realizzazione di un nuovo composito fibrorinforzato bioispirato capace di offrire prestazioni meccaniche sensibilmente superiori rispetto ai materiali convenzionali e, contemporaneamente, nuove possibilità di recupero e riutilizzo a fine vita. Il risultato più significativo riguarda la capacità del materiale di resistere alla frattura. Il prototipo sviluppato dai ricercatori è infatti in grado di assorbire il 95% in più di energia prima della rottura rispetto a un laminato convenzionale equivalente. Alla maggiore tolleranza al danneggiamento si aggiunge un incremento del 35% della resistenza, con una risposta meccanica che tende a rendere il cedimento più progressivo e meno improvviso. La ricerca è descritta nello studio scientifico Bone-Inspired Recyclable Composites for Damage-Tolerant Circular Materials, pubblicato sulla prestigiosa rivista internazionale Advanced Functional Materials. L’aspetto innovativo non riguarda soltanto la resistenza. Una volta concluso il primo ciclo di utilizzo, infatti, le unità di rinforzo possono essere separate dalla matrice, recuperate e impiegate nuovamente per realizzare un altro composito, mantenendo proprietà meccaniche molto vicine a quelle originarie.
Il segreto dell’osso corticale: così la natura arresta le fratture
L’ispirazione arriva direttamente dalla struttura dell’osso corticale, il tessuto compatto e resistente che costituisce la parte esterna delle ossa e che presenta una capacità particolarmente elevata di contrastare la propagazione delle fratture. Alla base di questa proprietà c’è una complessa architettura gerarchica costituita da osteoni e lamelle concentriche. Queste strutture non si limitano a sostenere i carichi, ma interagiscono con le cricche che possono formarsi all’interno del materiale. Gli osteoni e le lamelle concentriche sono infatti in grado di deviare, rallentare e in alcuni casi arrestare la propagazione delle cricche, impedendo che un danneggiamento inizialmente localizzato possa trasformarsi rapidamente in una frattura catastrofica. È proprio questo principio naturale che il gruppo dell’Università di Genova ha cercato di trasferire nel campo dei materiali compositi fibrorinforzati, utilizzati oggi in numerosi settori industriali per ottenere strutture leggere, efficienti e dotate di elevate prestazioni meccaniche. Il risultato è un materiale che non cerca soltanto di resistere maggiormente, ma che è progettato per gestire il danno in maniera più efficace, continuando a sopportare e redistribuire il carico anche dopo l’insorgenza dei primi fenomeni di danneggiamento.
Un composito che assorbe quasi il doppio dell’energia prima della rottura
Le prove sperimentali eseguite dai ricercatori hanno evidenziato una differenza rilevante rispetto ai laminati tradizionali. Il nuovo composito gerarchico bioispirato mostra un incremento del 95% della capacità di assorbire energia prima della rottura sotto carichi di trazione, accompagnato da un miglioramento del 35% della resistenza rispetto a un laminato convenzionale. La maggiore capacità di dissipare energia modifica anche il comportamento del materiale durante il cedimento. Nei compositi convenzionali una frattura può propagarsi rapidamente determinando una perdita improvvisa della capacità portante. Nel materiale sviluppato a Genova, invece, dopo il primo danneggiamento le unità bioispirate continuano a sostenere e redistribuire il carico. Il risultato è una risposta più progressiva alla rottura, con un comportamento potenzialmente importante per tutte quelle applicazioni nelle quali è necessario ridurre il rischio di cedimenti improvvisi. Le simulazioni numeriche hanno inoltre consentito di riprodurre la risposta meccanica del materiale e il percorso seguito dalle cricche, permettendo ai ricercatori di analizzare più nel dettaglio i meccanismi responsabili della dissipazione dell’energia.
Materiali compositi e riciclo: il problema delle fibre ad alte prestazioni
I compositi fibrorinforzati rappresentano da tempo uno dei materiali più importanti per le industrie che necessitano di strutture leggere e resistenti. Il loro utilizzo permette di ridurre il peso mantenendo elevate prestazioni meccaniche, con vantaggi evidenti in settori come aerospazio, automotive, nautica ed energia. La stessa struttura che rende questi materiali particolarmente efficienti rappresenta però una difficoltà significativa quando arriva il momento del fine vita. Le fibre ad alte prestazioni vengono infatti integrate in maniera molto stretta all’interno della matrice polimerica. Separare successivamente i diversi componenti può essere complesso e può determinare la perdita di alcune delle caratteristiche originarie dei rinforzi. I processi convenzionali possono restituire fibre corte, danneggiate o prive del loro originario allineamento, rendendole meno adatte a nuove applicazioni strutturali e spesso destinate a impieghi di valore inferiore. Da questa problematica nasce uno dei principi fondamentali della ricerca dell’Università di Genova: non limitarsi a recuperare la materia, ma cercare di conservare anche la funzione strutturale dei componenti.
Flavia Libonati: “il punto non è semplicemente recuperare materia, ma conservarne il valore”
A spiegare l’impostazione scientifica del progetto è Flavia Libonati, docente UniGe di Progettazione meccanica e costruzione di macchine al Dipartimento di ingegneria meccanica, energetica, gestionale e dei trasporti – DIME e coordinatrice dello studio. “Il punto non è semplicemente recuperare materia, ma conservarne il valore – spiega Flavia Libonati, docente UniGe di Progettazione meccanica e costruzione di macchine al Dipartimento di ingegneria meccanica, energetica, gestionale e dei trasporti – DIME e coordinatrice dello studio. – Se alla fine del processo otteniamo fibre danneggiate o prive del loro allineamento, abbiamo riciclato, ma abbiamo perso gran parte della loro funzione. Per questo abbiamo progettato insieme la risposta al danno e la strategia di riuso”. L’obiettivo del progetto diventa quindi più ampio rispetto al riciclo tradizionale. La progettazione del materiale non considera soltanto le prestazioni richieste durante la fase di utilizzo, ma tiene conto fin dall’inizio di ciò che dovrà accadere quando il componente avrà terminato il suo primo ciclo operativo. In questo modo, prestazioni meccaniche e circolarità non vengono affrontate come due questioni separate, ma come parti della stessa strategia progettuale.
Come funzionano le unità ispirate agli osteoni
Per riprodurre il principio osservato nelle ossa, i ricercatori hanno progettato unità di rinforzo multistrato ispirate agli osteoni. Queste unità vengono assemblate all’interno di una matrice termoplastica Elium®, dando origine a una struttura gerarchica nella quale ogni elemento svolge un ruolo preciso sia durante la fase di utilizzo sia durante quella successiva di recupero. L’architettura svolge infatti una doppia funzione. Durante l’impiego aumenta la tolleranza al danneggiamento e contribuisce a rallentare la propagazione delle cricche. Al termine del ciclo di utilizzo, invece, permette di recuperare elementi portanti modulari ancora integri e soprattutto ancora correttamente allineati. L’organizzazione interna del materiale diventa così uno degli elementi centrali sia per ottenere migliori proprietà meccaniche sia per rendere possibile un riutilizzo strutturale diretto.
Il recupero delle unità di rinforzo a temperatura ambiente
La seconda fase della sperimentazione ha riguardato proprio ciò che accade al materiale dopo le prove meccaniche. I ricercatori hanno proceduto alla dissoluzione della matrice termoplastica attraverso un processo controllato eseguito a temperatura ambiente. In questo modo è stato possibile liberare le unità di rinforzo senza distruggerle e senza comprometterne significativamente le caratteristiche. Le unità recuperate hanno infatti conservato la propria geometria e il proprio allineamento. Una volta sottoposte a nuovi test di trazione, hanno mostrato proprietà meccaniche comparabili a quelle delle unità vergini. Le differenze riscontrate rispetto agli elementi originali sono risultate contenute entro circa il 4%. Il dato assume particolare rilevanza perché dimostra che l’operazione di recupero non porta necessariamente alla produzione di un materiale di qualità inferiore, ma può consentire di preservare quasi integralmente la funzione strutturale dell’elemento.
Dal riciclo tradizionale al riuso diretto dei rinforzi
Dopo aver verificato la conservazione delle caratteristiche delle unità recuperate, i ricercatori le hanno utilizzate per assemblare un nuovo composito. La sperimentazione ha così dimostrato concretamente la possibilità di un riuso diretto dei rinforzi. È proprio questo uno degli aspetti che differenzia maggiormente il progetto rispetto alle modalità tradizionali di riciclo dei materiali compositi. Nel riciclo convenzionale il materiale viene generalmente trasformato nuovamente per recuperare alcune delle sue componenti. Nel nuovo approccio si cerca invece di preservare direttamente un elemento strutturale, mantenendone geometria, organizzazione e capacità portante. Il passaggio da una logica basata soltanto sul recupero della materia a una strategia orientata alla conservazione della funzione potrebbe diventare uno dei temi centrali nello sviluppo futuro di materiali compositi circolari.
“Dal materiale semplicemente riciclabile al componente progettato fin dall’inizio per una seconda vita”
Flavia Libonati sottolinea proprio questo cambio di prospettiva per le possibili applicazioni industriali del nuovo approccio. “Per l’industria, il salto concettuale è passare dal materiale semplicemente riciclabile al componente progettato fin dall’inizio per una seconda vita – sottolinea Flavia Libonati. – In questa prospettiva, l’architettura non determina soltanto le prestazioni meccaniche: diventa parte della strategia di circolarità”. La struttura del materiale, dunque, non viene più pensata esclusivamente in funzione delle prestazioni da ottenere durante il servizio. L’architettura stessa diventa anche uno strumento per programmare il disassemblaggio, il recupero e il riutilizzo dei componenti. È un’impostazione che punta a integrare fin dalla fase iniziale della progettazione il comportamento del materiale durante tutto il suo ciclo di vita.
Aerospazio, automotive, nautica ed energia eolica: i settori interessati
Le possibili applicazioni del nuovo materiale riguardano numerosi comparti industriali nei quali la combinazione tra leggerezza, resistenza meccanica e sostenibilità riveste un ruolo centrale. Tra i principali settori individuati vi sono aerospazio, automotive, nautica e cantieristica navale, trasporto ferroviario, energia eolica, attrezzature sportive e produzione avanzata. In campo aerospaziale, la riduzione del peso delle strutture rappresenta uno degli elementi fondamentali per aumentare l’efficienza dei velivoli. Nel settore automobilistico, i compositi vengono utilizzati per ridurre le masse mantenendo adeguati livelli di resistenza e sicurezza. Analoghe esigenze riguardano la nautica e la cantieristica navale, dove i materiali compositi consentono di costruire strutture leggere e resistenti all’ambiente marino. L’energia eolica rappresenta un altro settore nel quale i materiali fibrorinforzati sono particolarmente importanti, soprattutto nella realizzazione delle pale delle turbine, componenti caratterizzati da grandi dimensioni e da cicli di vita lunghi ma che pongono importanti questioni in termini di recupero e gestione del fine vita.
Il materiale è ancora un dimostratore di laboratorio
Nonostante i risultati ottenuti, il materiale sviluppato all’Università di Genova si trova ancora nella fase di dimostratore di laboratorio e non rappresenta ancora un prodotto disponibile per applicazioni industriali. La ricerca dovrà quindi proseguire affrontando diversi aspetti necessari per trasferire il principio bioispirato dalla scala del provino sperimentale alla realizzazione di componenti reali. Tra gli elementi da approfondire rientrano l’automazione e la scalabilità del processo produttivo, l’ottimizzazione della geometria e dell’orientamento dei rinforzi e la validazione del comportamento del materiale in presenza di carichi più complessi. Sarà inoltre necessario verificare le prestazioni in presenza di carichi ciclici, un aspetto fondamentale per materiali destinati a strutture che devono operare per lunghi periodi. Ulteriori valutazioni riguarderanno gli effetti ambientali ed economici dell’intero ciclo di vita.
Dalla scala del provino ai componenti reali
L’obiettivo successivo sarà trasformare il principio dimostrato in laboratorio in una tecnologia capace di funzionare su componenti di dimensioni e geometrie compatibili con le applicazioni industriali. Il passaggio richiederà la verifica della producibilità, della durabilità, delle prestazioni meccaniche e della possibilità di disassemblaggio in condizioni reali. La prospettiva indicata dalla ricerca dell’Università di Genova è quella di un materiale nel quale resistenza e riciclabilità non rappresentino più esigenze contrapposte. La progettazione bioispirata potrebbe infatti consentire di realizzare strutture capaci di offrire una maggiore tolleranza al danno durante il servizio e, contemporaneamente, mantenere una parte significativa del proprio valore strutturale quando arriva il momento del recupero. Il modello dell’osso corticale, perfezionato dalla natura attraverso una struttura gerarchica capace di rallentare la propagazione delle fratture, diventa così il punto di partenza per una nuova generazione di compositi fibrorinforzati circolari, pensati non soltanto per resistere più a lungo, ma anche per essere utilizzati nuovamente dopo il termine del loro primo ciclo di vita.
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