Fernando FRATERNALI | Progetti

STRUTTURE E MATERIALI INNOVATIVI PER L'INGEGNERIA CIVILE

Il presente progetto intende coniugare l’impiego di materiali da riciclo con la progettazione, prototipazione e sperimentazione di fibre e filamenti aventi una struttura “multiscala” ispirata a forme naturali (forme “bio-inspired”). Sono noti filamenti aventi superfici laterali lisce o dotati di risalti superficiali, nervature e/o scanalature, aventi forme ricavate dalla geometria classica in particolare rette e piani. In diverse applicazioni di interesse tecnico, tali forme semplici non consentono un ancoraggio ottimale dell’elemento di rinforzo alla matrice di un materiale composito, e pertanto non risultano particolarmente efficaci per il rinforzo dei materiali industriali. Il progetto proposto intende anche progettare e realizzare sotto forma di prototipi (mediante stampa 3D) filamenti aventi geometria complessa, rispetto ai filamenti di tecnica nota. La forma di tali elementi verrà progettata utilizzando algoritmi frattali, che prevedano il ripetersi a diverse scaledi una o più’ forme base, ovvero attraverso una struttura gerarchica tale che la fibra o filamento sia formato dall’aggregazione di particelle e/o reticoli solidi a scala più fine rispetta a quella del corpo principale. La prototipazione rapida consentirà di raggiungere livelli di dettaglio fino all’ordine del centesimo di millimetro e si articolerà nelle seguenti fasi: a) elaborazione della geometria di un elemento con un software CAD; b) invio dati ad una stampante 3D; c) stampa dell’elemento mediante deposizione. A seconda del campo di applicazione, gli elementi progettati potranno consistere in fibre, avvolgimenti, tessuti e/o particelle strutturali; reticoli strutturati di sostegno ad oggetti di design e capi di abbigliamento; ovvero in elementi a se stanti, quali, ad esempio, filamenti per stampanti 3D del tipo a filamento fuso. La progettazione di fibre e filamenti di nuova concezione sarà abbinata all’impiego di materiali da riciclo, facendo ricorso a processidi stampa 3D. Tali processi di prototipazione impiegheranno filamenti ottenuti per estrusione di scarti (scaglie, fiocchi, granuli, ecc.) di materiali da riciclo quali R-PET e R-NYLON. Un ulteriore obiettivo del presente progetto riguarda lo sviluppo di applicazioni innovative di materiali reticolari, che presentino moduli di elasticità a compressione ed a taglio regolabili in funzione delle dimensioni delle membrature e delle proprietà meccaniche dei materiali impiegati. Utilizzando analisi teoriche, simulazioni computerizzate e la fabbricazione di prototipi da sottoporre a test di laboratorio, il gruppo proponente intende sviluppare “metamateriali” reticolari alternati a strati in materiale rigido (quali, ad esempio, lamierini metallici), per formare compositi laminati di nuova generazione. La progettazione, prototipazione e brevetto di materiali cellulari per l’isolamento termico, che siano formati da reticoli porosi a struttura aperta o chiusa con celle delle dimensioni micrometriche o nanometriche, condurrà alla progettazione di pannelli con elevatissimo potere d’isolamento termo-acustico, grazie all’effetto Knudsen legato al cammino libero medio delle particelle d’aria all’interno del mezzo poroso. Si attende di raggiungere poteri d’isolamento termico anche inferiori ai 10 mW/(mK), contro un potere di isolamento pari a circa 30-50 mW/(mK) dei materiali d’isolamento termico più performanti attualmente disponibili in commercio (lana di vetro, pannelli in polistirene estruso o espanso, pannelli in poliuretano, cellulosa, sughero, ecc.). Anche in questo caso, le proprietà finali del materiale dipenderanno essenzialmente dalla geometria della sua microstruttura, piuttosto che dalla sua composizione chimica, e per la sua prototipazione potranno utilmente impiegarsi processi di stampa 3D a diverse scale.