La sfida delle strutture lattice: tra leggerezza e resistenza

Negli ultimi anni, l’ingegneria ha visto un cambiamento radicale nella progettazione dei materiali e dei componenti meccanici grazie all’introduzione delle strutture lattice. Ma cosa sono esattamente? Possiamo immaginarle come reticoli tridimensionali, composti da una fitta rete di sottili aste e nodi, ripetuti in celle regolari, che le rendono leggere e al tempo stesso resistenti. La natura ci offre modelli da cui trarre ispirazione: dalle spugne ossee al guscio dei ricci di mare, le strutture ottimizzate per leggerezza e resistenza sono ovunque.

Oggi, grazie alla stampa 3D, possiamo riprodurre e controllare queste geometrie a livello industriale. Le strutture lattice trovano applicazione in settori strategici, dall’aerospaziale al biomedico, permettendo di alleggerire i componenti, ottimizzare le proprietà meccaniche e persino migliorare l’interazione biologica di impianti medici, come le protesi ossee. 

Tuttavia, una sfida fondamentale limita ancora la loro diffusione: la difficoltà di prevedere con precisione il comportamento meccanico di strutture così complesse. Le geometrie articolate rendono inaffidabili o estremamente onerosi i metodi di simulazione tradizionali, sia in termini di tempo di calcolo sia di accuratezza.

Nel presente progetto, lo studio è stato affrontato con tre diversi approcci di simulazione ciascuno pensato per bilanciare efficacemente precisione e costi computazionali.

Primo approccio: omogeneizzazione numerica

Questa tecnica modella la geometria intricata della struttura lattice con un materiale equivalente che ne replica il comportamento elastico medio. Il vantaggio principale è la riduzione drastica del numero di elementi da simulare, e quindi dei tempi di simulazione. Per validare questa metodologia, è stato condotto uno studio su una protesi d’anca, selezionando le configurazioni ottimali delle strutture lattice attraverso test sperimentali su provini stampati in 3D. L’analisi ha confermato che, nonostante alcune limitazioni, l’omogeneizzazione fornisce stime affidabili delle proprietà elastiche, rendendola una scelta efficace nelle prime fasi del design.

Secondo approccio: modelli semplificati monodimensionali

Poiché le strutture lattice sono formate da aste sottili, il loro comportamento può essere rappresentato da modelli a trave, molto più leggeri dal punto di vista computazionale. Due le principali applicazioni esplorate:

• Ottimizzazione della vita a fatica: la qualità superficiale dei componenti stampati in 3D è fortemente influenzata dall’orientazione di stampa, e questo incide direttamente sulla loro resistenza a fatica. E’ stato sviluppato un algoritmo di ottimizzazione dell’orientamento, riducendo così i punti critici soggetti a rottura prematura.
• Correzione delle proprietà elastiche: i modelli a trave tendono a sottostimare la rigidità delle strutture dominate dalla flessione. Per correggere questa discrepanza, sono introdotti fattori di compensazione, migliorando così l’accuratezza delle simulazioni senza comprometterne l’efficienza.

Terzo approccio: modelli dettagliati basati su scansioni CT. 

Per ottenere previsioni estremamente accurate sulla vita a fatica, è ricostruita la geometria reale dei provini tramite scansioni tomografiche (CT-scan). Questo ha permesso di catturare dettagli microscopici della superficie, che influenzano in modo critico l’innesco delle cricche. Tuttavia, simulare un modello così dettagliato con elementi solidi tradizionali richiederebbe un elevato costo computazionale. Per ridurre questo problema, si utilizza il Finite Cell Method, una tecnica innovativa che consente di simulare geometrie complesse mantenendo elevata precisione e tempi di calcolo contenuti. I risultati numerici ottenuti sono in eccellente accordo con le previsioni numeriche, rendendo questa metodologia promettente per applicazioni avanzate.

Verso una progettazione più efficiente

I risultati di questa ricerca dimostrano che è possibile simulare il comportamento meccanico delle strutture lattice in modo affidabile ed efficiente, scegliendo l’approccio più adatto in funzione delle esigenze progettuali. 

Le strutture lattice rappresentano così un’alternativa più concreta e sostenibile per molte applicazioni industriali, dal biomedicale all’aerospaziale.