Strutture sandwich multistrato bioispirate additivamente fabbricate con configurazioni del nucleo variate sotto compressione fuori piano

Perché la protezione dagli urti ispirata alla natura è importante

Dai paraurti delle auto agli interni degli aerei, molti veicoli moderni si affidano a pannelli “sandwich” nascosti che devono essere leggeri ma capaci di assorbire forze enormi in caso di incidente. Questo studio esplora una nuova classe di tali pannelli ispirata alla cupola ruvida e protettiva che avvolge una ghianda di quercia. Riproducendo quella forma naturale con la stampa 3D e regolando con cura il motivo interno, i ricercatori mostrano come costruire strutture plastiche leggere, riciclabili e molto più efficaci nell’attenuare gli urti.

Imparare dalla quercia

Il punto di partenza è il cupolino della quercia, il guscio squamoso che culla una ghianda quando cade. In natura questo guscio distribuisce le forze d’impatto attraverso una rete di pareti sottili e cavità. Il team ha tradotto quell’idea in pannelli artificiali costruiti come un sandwich: due piastre esterne piatte e rigide con un nucleo cavo e caratterizzato da un motivo al centro. Invece della schiuma, il nucleo è formato da molte piccole forme simili a celle, impilate su più strati. Queste forme sono state scelte per imitare motivi osservati in natura e per valutare quali gestiscono meglio le forze di schiacciamento.

Costruire nuclei complessi con la stampa 3D

Per trasformare questi progetti in pezzi reali, i ricercatori hanno usato un processo di stampa 3D a base di polvere chiamato Multi Jet Fusion, impiegando una plastica ingegneristica resistente nota come Nylon PA12. Questo metodo può produrre motivi interni intricati senza colla o bulloni, così le piastre e il nucleo emergono come un unico componente. Il team ha stampato pannelli multistrato i cui nuclei seguivano quattro disposizioni di base: celle romboidali, esagonali, quadrate e circolari. Hanno anche variato le dimensioni di ciascuna cella, la distanza tra celle adiacenti e se le ondulazioni degli strati fossero allineate nella stessa direzione o ruotate da uno strato all’altro.

Test di schiacciamento e cosa rivelano

I pannelli sono stati poi compressi lentamente tra piastre d’acciaio piane mentre si misuravano forza e spostamento. Questi test imitano ciò che accade quando una parete o un pavimento di un veicolo viene premuto dall’esterno durante una collisione. All’inizio, ogni pannello risponde elasticamente, tornandosi alla forma iniziale quando la forza viene rimossa. Man mano che il carico aumenta, le sottili pareti interne iniziano a piegarsi, a instabilizzarsi e a creparsi, e il pannello entra in un lungo “piattopiano” in cui continua ad assorbire energia durante il collasso. Tracciando la curva di forza e l’area sottesa, il team ha calcolato sia l’energia totale assorbita sia l’energia assorbita per grammo di materiale, una misura chiave per progetti sensibili al peso.

Quali forme funzionano meglio

I motivi romboidali ed esagonali sono risultati i più efficaci. I pannelli con nuclei romboidali hanno assorbito circa 440 joule con la massima energia per grammo, mentre i nuclei esagonali si sono posizionati poco dietro. Le loro pareti angolate o sfaccettate offrono molti percorsi per il trasferimento delle forze, favorendo piegamenti graduali a fasi piuttosto che rotture improvvise. I nuclei quadrati e circolari hanno assorbito significativamente meno energia, in parte perché gli spigoli vivi o le pareti completamente curve concentrano gli sforzi e innescano collassi locali precoci. Ridurre le dimensioni di ciascuna cella, pur mantenendo fisso il formato complessivo del pannello, ha aumentato la forza di picco e l’energia assorbita per i nuclei sia circolari sia esagonali. Un aumento moderato della distanza tra le celle ha ritardato ulteriormente le interazioni tra pareti adiacenti ed esteso la fase di collasso dolce.

Strati che lavorano insieme

Anche il modo in cui gli strati sono impilati gioca un ruolo importante. Quando tutte le corrugazioni puntavano nella stessa direzione, molte pareti cellulari si sono instabilizzate contemporaneamente, portando a cali di carico più bruschi. Ruotare ogni strato rispetto al successivo ha distribuito le instabilità attraverso lo spessore del pannello. Questo sfalsamento ha costretto le forze a ridistribuirsi da uno strato all’altro e ha aumentato l’attrito e lo scorrimento tra di essi. Nei nuclei circolari ed esagonali, il motivo alternato ha aumentato l’assorbimento totale di energia di circa un quinto e ha incrementato l’energia per grammo di oltre il dieci percento. I nuclei esagonali con celle piccole, spaziature maggiori e strati alternati hanno offerto le prestazioni più bilanciate, combinando elevata resistenza di picco con un’attenuazione molto efficiente.

Cosa significa per strutture più sicure e leggere

Per un non specialista, il messaggio principale è che il motivo interno e l’assetto degli strati all’interno di un pannello possono essere importanti tanto quanto la quantità di materiale impiegata. Prendendo in prestito motivi dal cupolino della ghianda e fabbricandoli con la stampa 3D, il team dimostra che celle sagomate e impilate in modo intelligente possono trasformare una lastra di plastica leggera in un assorbitore d’urto altamente performante. Tali pannelli potrebbero aiutare auto, treni e aerei futuri a proteggere meglio le persone mantenendo sotto controllo consumi e sprechi di materiale.

Citazione: Taghizadeh, S., Cheng, L., Askari, M. et al. Additively manufactured bioinspired multilayer sandwich structures with varied core configurations under out-of-plane compression. Sci Rep 16, 15833 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41021-4

Parole chiave: strutture bioispirate, pannelli sandwich, assorbimento di energia, produzione additiva, resistenza agli urti