I metamateriali stampati in 3D potrebbero ridefinire la sicurezza delle auto

Creazione di design in metallo

La metallurgia è una tecnologia in continua evoluzione fin dalle origini della primitiva lavorazione del metallo nelle civiltà primitive. Fino a poco tempo fa, la maggior parte della lavorazione dei metalli si basava ancora su tecniche come lo stampaggio (fusione del metallo in forme cave) o la forgiatura (martellatura del metallo per dargli forma).

L'avvento della tecnologia di stampa 3D in grado di gestire materiali metallici ha introdotto un metodo completamente nuovo per la produzione di componenti metallici e siamo solo all'inizio della realizzazione del suo potenziale.

Per esempio, nuove leghe di titanio, stampa 3D a idrogeno, o stampa geometrica che assorbe le vibrazioni.

I ricercatori dell'Università di Glasgow (Regno Unito), dell'Università Politecnica delle Marche (Italia) e dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Italia) hanno ora creato un nuovo tipo di metamateriali intrecciati che potrebbero sostituire il modo in cui costruiamo gli ammortizzatori delle auto, utilizzando la stampa 3D.

Hanno pubblicato i loro risultati in Advanced Materials¹, sotto il titolo “Metamateriali a torsione adattiva".

Assorbimento degli urti integrato

Quando le automobili furono costruite per la prima volta, non avevano praticamente alcuna protezione contro gli urti. Poi, i primi sistemi di assorbimento degli urti, come crash box e paraurti, fornivano una risposta forza-spostamento univoca per tutti gli scenari di impatto riscontrati durante le collisioni tra veicoli.

Le automobili moderne sono costruite in modo tale che, in caso di incidente, il telaio assorba specificamente la maggior parte dell'energia cinetica, limitando la quantità di energia trasferita ai passeggeri.

“La crescente necessità di conformarsi a standard di sicurezza sempre più rigorosi e spesso contrastanti ha spostato l'attenzione verso l'ottimizzazione strutturale dei componenti sacrificali, facendo progredire la filosofia della progettazione meccanica.”

Insieme alla diffusione delle cinture di sicurezza, questa innovazione ha rappresentato un fattore determinante nella riduzione delle vittime di incidenti stradali negli ultimi decenni.

Fonte: Haug Farrar

Ciò è stato ottenuto principalmente modificando la geometria della struttura o incorporando materiali diversi insieme in assorbitori di energia collaudati per migliorare la dissipazione dell'energia.

Tuttavia, l'assorbimento di energia tende a essere costante, indipendentemente dallo scenario (ad esempio, impatto con un pedone o un muro), poiché la risposta forza-spostamento rimane fissa.

Metamateriali meccanici di accoppiamento compressione-torsione (CTCM)

Un'alternativa promettente ai metodi attuali per assorbire gli urti sono i metamateriali CTCM (Compressione-Torsione Meccanica).

Sono progettati per convertire la pressione attorno all'asse del materiale in un movimento di torsione, con un movimento simile a quello di un cavatappi, assorbendo l'energia dell'impatto.

Ciò pone i metamateriali CTCM un passo avanti rispetto ai semplici reticoli metallici, che vengono semplicemente compressi sotto pressione.

Questi materiali sfruttano appieno la capacità della stampa 3D di creare forme e strutture estremamente complesse, impossibili da realizzare con qualsiasi altro metodo.

Fonte: Materiali Avanzati

Reazioni dipendenti dalla forza

I precedenti materiali ammortizzanti si piegavano o non si piegavano. Quindi, per resistere agli urti più violenti, spesso dovevano resistere anche a quelli più leggeri.

“I materiali protettivi utilizzati oggi nella maggior parte dei veicoli sono statici, progettati per scenari di impatto specifici e non sono in grado di adattarsi a condizioni variabili.”

Professore Shanmugam Kumar - Università di Glasgow

Al contrario, le forme complesse dei metamateriali STCM possono essere adattate con precisione a requisiti specifici.

I ricercatori hanno progettato una forma in grado di assorbire molta energia anche in caso di impatto di piccola entità, ma che al tempo stesso offre protezione contro impatti successivi ad alta velocità/alta energia.

Dopo la prima fascia di schiacciamento (vale a dire la sollecitazione di collasso iniziale), la duttilità del materiale del foglio giroide ha consentito una risposta compressiva stabile senza cedimenti catastrofici.

Fonte: Materiali Avanzati

Ciò renderebbe i metamateriali STCM superiori alle attuali schiume convenzionali o alle zone di deformazione, poiché fornirebbero una maggiore resistenza alle collisioni più gravi o un'ammortizzazione più morbida per gli impatti più leggeri.

Fonte: Materiali Avanzati

Creazione di nuovi ammortizzatori

Questo risultato è stato ottenuto creando una forma complessa e altamente porosa, nota come reticolo giroide. Hanno poi confrontato i componenti reali prodotti con la stampa 3D, analizzati tramite TAC, con il modello CAD computerizzato.

Fonte: Materiali Avanzati

Sebbene il materiale reale differisse leggermente dal modello CAD, a causa dell'accumulo di metallo più spesso in alcune aree (densità superiore dell'11.8%), la resistenza effettiva agli urti è stata prevista correttamente.

Quando applichiamo una compressione, il reticolo giroide la traduce in torsione e, modificando le condizioni al contorno, possiamo regolare le caratteristiche di assorbimento dell'energia.

Questi materiali possono adattarsi e modificare le proprie caratteristiche a seconda del tipo e della gravità dell'impatto, per attenuarne gli effetti.

Professore Shanmugam Kumar - Università di Glasgow

Applicazioni

Finora, la stampa 3D in metallo è stata per lo più confinata a settori come l'aeronautica e l'aerospaziale, a causa degli elevati costi iniziali delle stampanti 3D in metallo. La situazione sta cambiando rapidamente, con la maturazione della tecnologia e l'aumento della produzione su larga scala.

"Riteniamo che in futuro il materiale possa trovare applicazione sia nella sicurezza automobilistica che in quella aerospaziale, offrendo un'unica nuova classe di materiali in grado di adattarsi a diverse esigenze, a seconda delle necessità.

Potrebbe anche supportare lo sviluppo di nuove forme di raccolta di energia, convertendo gli impatti in energia cinetica rotazionale."

Professore Shanmugam Kumar - Università di Glasgow

Quindi, tra qualche anno, potremmo vedere una nuova classe di materiali adattivi contro gli urti, con assorbimento di energia regolabile, stress da collasso e rigidità controllata tramite strutture giroidali torsionali.

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Inizialmente, è probabile che le applicazioni saranno limitate ai settori ferroviario, aerospaziale e della difesa, per poi estendersi al più ampio settore automobilistico, dai modelli di lusso ai modelli base.

Investire nella stampa 3D

Nano dimensione

Inizialmente, Nano Dimension si concentrava sull'elettronica stampata in 3D. Questo include tecnologie altamente specializzate come inchiostri conduttivi o dielettrici e ceramiche. Questi possono essere utilizzati, ad esempio, per la realizzazione di componenti ottici o radio.

Questa è una delle possibili applicazioni della stampa 3D su scala nanometrica, che abbiamo approfondito in “La stampa 3D su scala nanometrica sembra pronta per la commercializzazione".

In particolare, Nano Dimension è cresciuta attraverso un mix di acquisizioni e ricerca e sviluppo interna. Questa strategia ha raggiunto un nuovo massimo con l'acquisizione di Desktop Metal nel 2024.

Insieme, le due aziende avranno una posizione molto più forte nella stampa 3D di metalli e ceramiche a tutti i livelli, dall'elettronica alle grandi apparecchiature industriali e all'aerospaziale. Ciò creerà anche economie di scala grazie all'unione di una base clienti che include SpaceX, Tesla, GE, Honeywell, Emerson, Raytheon, NASA, Medtronic, ecc.

Infine, le due società erano principalmente attive in aree geografiche diverse, con Nano Dimension in Europa e Desktop Metal negli Stati Uniti, consentendo una sinergia unendo i loro team di vendita.

L'azienda afferma di poter ridurre l'impatto ambientale della produzione, con una riduzione del 94% delle emissioni di CO2, del 100% di quelle di acqua, del 98% dei materiali e dell'82% delle sostanze chimiche. Nel complesso, questo ha permesso a Nano Dimension di affermarsi come uno dei leader tecnologici nella stampa 3D.

Fonte: Nanodimensioni

Un altro acquisizione quello che è appena seguito è stato quello di Markforged per 115 milioni di dollariConcentrandosi sulle attrezzature per la produzione additiva di materiali compositi e metallici, l'acquisizione di Markforged rafforza ulteriormente la posizione di Nano Dimension nel mercato della stampa 3D in metallo.

"La bellezza di questa fusione e la bellezza di Markforged e del loro set di tecnologie è che non si sovrappongono alla nostra tecnologia. Le sinergie sono nelle applicazioni per aziende simili".

Yoav Stern - CEO di Nano Dimension

L'azienda sta inoltre progredendo, attraverso acquisizioni e sviluppo interno, diventando leader nel software di stampa 3D.

Tuttavia, gli investitori devono essere consapevoli che il settore della stampa 3D nel suo complesso ha ancora un flusso di cassa negativo, quindi l'azienda dovrà tagliare i costi o crescere a sufficienza per realizzare profitti in futuro.

(Puoi anche leggere il nostro rapporto di investimento più dettagliato riguardante Nano Dimension per ulteriori informazioni.)

Ultime notizie e sviluppi sulle azioni Nano Dimension (NNDM)

Studio referenziato:

^{1. Mattia Utzeri, Maria L. Gatto, Edoardo Mancini, Donato Orlandi, Daniele Cortis, Marco Sasso, Shanmugam Kumar. . Metamateriali a torsione adattiva. Materiali avanzati. 22 ottobre 2025. https://doi.org/10.1002/adma.202513714}