I laser aprono la strada a un migliore utilizzo del cemento

Sep 02, 2023

Di Adam Hadhazy

5 giugno 2023

Gli ingegneri dell’Università di Princeton stanno utilizzando i laser per valutare con precisione uno dei principali inconvenienti del cemento stampato in 3D: la resistenza del materiale alla frattura. I ricercatori sperano che i progressi in questo settore possano portare a un uso più ampio della produzione additiva nelle strutture a base di cemento. L’obiettivo a lungo termine è sviluppare materiali migliori utilizzando tecniche additive che portino a design e funzioni innovativi.

Il cemento è l’ingrediente principale del calcestruzzo che costituisce gran parte delle costruzioni moderne, inclusi edifici, strade, piste, ponti e dighe. Negli ultimi anni, poiché la stampa 3D ha dimostrato vantaggi in termini di efficienza e versatilità, c’è stato un crescente interesse nell’applicazione della tecnologia all’edilizia.

Ma rispetto al calcestruzzo colato convenzionalmente, le alternative stampate in 3D possono essere soggette a fessurazioni, in particolare nelle aree tra i diversi strati di calcestruzzo. I ricercatori attribuiscono questo a microstrutture non uniformi introdotte dal processo di stratificazione utilizzato nella stampa 3D. I ricercatori di Princeton hanno utilizzato un nuovo test per comprendere meglio questo cracking a livello microscopico. I loro risultati suggeriscono che caratterizzando adeguatamente le proprietà di fratturazione, il calcestruzzo stampato in 3D potrebbe essere altrettanto resistente o addirittura più resistente del calcestruzzo colato.

In uno studio sulla rivista Cement and Concrete Composites, i ricercatori di Princeton dimostrano un nuovo metodo di test che utilizza i laser per tagliare scanalature posizionate con precisione nei cementi stampati in 3D. Controllando la potenza e la velocità del laser, i ricercatori possono controllare caratteristiche critiche come la profondità e la forma delle scanalature. Questo controllo consente test molto più accurati rispetto ai metodi convenzionali.

“Ora possiamo acquisire una comprensione più approfondita delle proprietà di frattura dei materiali a base di cemento stampati in 3D in varie modalità di cedimento, il che è importante per estendere eventualmente questa tecnologia”, ha affermato Reza Moini, assistente professore presso il Dipartimento di Civiltà. e Ingegneria Ambientale a Princeton e autore senior dello studio. “Esistono nuove opportunità per realizzare materiali più resistenti e resistenti sfruttando la progettazione dell’architettura dei materiali e la libertà di fabbricazione offerta dalle tecnologie additive”.

Gli altri autori dello studio di Princeton, tutti membri del laboratorio di Moini, sono Shashank Gupta e Arjun Prihar, entrambi Ph.D. studenti e Hadi Esmaeeli, ex ricercatore associato.

A differenza del calcestruzzo colato, che viene versato in una forma e indurito, il calcestruzzo stampato in 3D prevede un ugello che estrude una pasta di cemento un filo alla volta. L'ugello si muove avanti e indietro, costruendo il calcestruzzo filo per filo e infine strato dopo strato.

Una sfida è che durante l’estrusione, una pellicola sottile e ricca di acqua tende a formarsi attorno a ciascun filo stampato per facilitare il flusso. Tali pellicole ricche di acqua possono portare a significativi difetti interni ed eterogeneità tra i filamenti del materiale stampato in 3D, contribuendo alla debolezza strutturale.

I ricercatori di Princeton hanno esaminato queste interfacce in modo più dettagliato per comprendere la loro relazione con le proprietà della frattura. Il gruppo di ricerca inizialmente ha fabbricato e polimerizzato campioni per i test utilizzando una stampante 3D personalizzata che estrudeva pasta di cemento. I test tradizionali di solito comportano il taglio di tacche nel materiale, spesso con seghe circolari. Per studiare le microstrutture, però, queste seghe possono agire come strumenti smussati che spesso portano a tacche non affilate. Ciò può rendere i test difficili e imprecisi.

Invece di utilizzare uno strumento fisico come una sega per tagliare le tacche, Moini e colleghi hanno scelto di utilizzare un laser da laboratorio. Il loro approccio taglia le tacche di prova proprio dove è necessario, ad esempio nell'interfaccia tra gli strati stampati.

“Il vantaggio di questo test per i materiali fragili stampati in 3D è che, utilizzando la stessa geometria del campione, è possibile catturare la resistenza alla fessurazione sotto tensione, taglio o qualsiasi combinazione dei due”, ha affermato Moini.

Shashank Gupta, il primo autore dell’articolo, ha sottolineato che “questo approccio può aiutare a definire le proprietà dei materiali mentre i ricercatori stanno lavorando con l’industria per ampliare i processi di produzione additiva concreta per applicazioni strutturali e non strutturali”.