3D

Jun 03, 2023

Le termiti sono un’arma a doppio taglio. Con un'enorme densità di energia e desiderosa di produrre un enorme calore quando viene accesa, la termite è ottima per saldare i binari dei treni. Ma a volte potresti volere un po’ più di finezza. Un nuovo approccio alla stampa 3D delle termiti potrebbe essere in grado di domare la bestia.

La maggior parte di noi esegue le saldature stando seduti al sicuro in ambienti chiusi in un clima confortevole. I pericoli più grandi che probabilmente dovremo affrontare sono le punte delle dita bruciate, il dimenticare il termoretraibile o il rilascio accidentale del mostro di fumo. Ma al di fuori delle nostre case e dei nostri laboratori, avvengono molte giunzioni estreme di metalli. Non importa dove vengano eseguite, la saldatura e la brasatura sul campo richiedono molte attrezzature, alcune delle quali sono ingombranti e ancora più difficili da spostare in condizioni difficili.

L'utilità della brasatura è limitata da tutte le complesse impalcature hardware necessarie per supportarla. Questo fattore limitante e la scoperta della termite hanno portato alla saldatura esotermica, che utilizza un materiale energetico per fornire calore sufficiente per fondere un metallo d'apporto e unire i pezzi. I materiali energetici possono immagazzinare molta energia chimica e rilasciarla forzatamente in un breve periodo di tempo.

Le termiti sono costituite da ossido di metallo e polvere di metallo, spesso ossido di ferro e alluminio. Quando accesi da una fonte di calore elevato, i composti della termite subiscono una reazione esotermica di riduzione-ossidazione (redox) poiché l'alluminio riduce il numero di elettroni negli atomi di ossido di ferro. Più calore fa sì che la reazione proceda più velocemente, generando più calore e così via. Il risultato sono scorie di ferro fuso e ossido di alluminio.

Uno dei primi utilizzi della termite fu il collegamento dei binari ferroviari, ed è ancora utilizzata per questo scopo oggi. Ecco un fantastico video del processo di saldatura alla termite in azione.

La termite è pericolosa perché produce un calore estremamente elevato, ma ha molti vantaggi. Per prima cosa, è bravo a unire metalli diversi. Sebbene le connessioni crimpate siano abbastanza affidabili, le giunzioni in termite sono più resistenti e possono resistere a tensioni più elevate. È facile da usare per realizzare giunti sovrapposti: basta creare un sandwich di saldatura con i pezzi da lavorare, mettere sopra la termite e accenderlo con un nastro di magnesio o l'introduzione di tutti alla pirotecnica: uno scintillante.

La termite è prevedibilmente scalabile, perché la produzione di calore risultante è direttamente correlata alla massa della termite. Tradizionalmente, la reazione della termite viene regolata variando la composizione chimica: un po' più ruggine, un po' meno polvere di alluminio finché non fa quello che desideri. Tutto questo va bene, anche se un po' pericoloso, in ambienti normali, come la posa dei binari del treno. In un ambiente austero come lo spazio, l’oceano o il campo di battaglia, il pericolo di utilizzare il calore elevato è molto più pronunciato.

Recentemente, uno studente di dottorato in ingegneria meccanica della Vanderbilt University ha creato una pasta di termite 4D stampabile che potrebbe rendere la saldatura esotermica molto più sicura, soprattutto in ambienti austeri.

Questa pasta è composta da ossido di ferro, polvere di alluminio e polvere di gesso. La polvere di gesso lega le polveri in una pasta stampabile quando mescolata con acqua. Anche se all’acqua è stato aggiunto acido tartarico, hanno avuto 45 minuti scarsi per farlo passare attraverso la stampante: un estrusore di pasta Discov3ry 1.0 collegato a una Ultimaker 2+. Nei loro esperimenti, il team è riuscito a utilizzare la pasta per fondere l'alluminio e realizzare un semplice giunto in rame.

Stampando la pasta con zigzag precisi e altre geometrie chiamate architetture di materiali reattivi (RMA), il team è stato in grado di mostrare un maggiore controllo sulla reazione della termite. Quando distribuita in questi schemi, la termite si comporta come una fonte di calore programmabile che brucia più come una miccia ed è intrinsecamente più sicura da conservare, trasportare e utilizzare.

Le forme di questi RMA sono state scelte per esplorare il modo in cui ciascuno di essi influenzerebbe la reazione della termite. Il primo era uno zigzag semplificato, un disegno a S allungato con angoli retti netti progettato per misurare la velocità di propagazione quando un'estremità viene accesa.