Sinistra: Fibre e filamenti ricavati da materiali da riciclo (brevetto), Destra: Bobina di filamento per stampa 3D a filamento fuso
"NEW MATerials and Techniques for sustainable engineering"

Il Libro Verde dell'Unione Europea "Strategia Europea per i Rifiuti di Plastica" [1] segnala che la quantita' di rifiuti solidi abbandonata negli Oceani ammonta a circa 100 milioni di tonnellate e che circa l'80% di tali rifiuti e' costituito da materie plastiche, quali, ad esempio, bottiglie di plastica post-consumo a da reti da pesca abbandonate in mare, che causano rilevanti fenomeni di desertificazione degli ecosistemi marini.

Le sempre maggiori emergenze ambientali dei giorni nostri ed un crescente interesse verso la sostenibilita' dei processi produttivi e di ingegneria stanno spingendo numerosi ricercatori, tecnici ed imprenditori ad intraprendere ricerche e sperimentazioni sull'impiego dei rifiuti solidi per la realizzazione di prodotti innovativi ed "eco-sostenibili". Molti materiali di "scarto", allorche' impiegati in aggiunta o sostituzione di materiali vergini, riescono infatti a conferire benefiche proprieta' ai materiali industriali tradizionali. La versatilita', la leggerezza, la durabilita', la resistenza ad ambienti aggressivi e le notevoli capacita' di termo-meccanichr rappresentano alcuni tra i maggiori punti di forza di diversi materiali recuperabili dai rifiuti solidi (materiali plastici, vetrosi, gommosi, ecc.).

Tra i materiali da riciclo che si sono dimostrati particolarmente idonei per la formazione di nuovi materiali industriali e' opportuno ricordare fibre e filamenti estraibili da materie plastiche, vetro, cellulosa, pneumatici, gomme in genere e legno, che possono essere impiegati autonomamente o in associazione ad un materiale matrice, allo scopo di formare prodotti compositi dotati di speciali proprieta' fisico-meccaniche, In quest'ambito, rivestono particolare interesse fibre e filamenti ricavati da scarti di polietilene tereftalato (PET), attraverso la macinazione e/o il taglio manuale di bottiglie di plastica post-consumo [2][3][4][5] (R-PET), ovvero anche filamenti ottenuti dalla lavorazione di scarti di reti da pesca in nylon recuperate in mare (R-NYLON) [6] (Fig. 1).


Design e stampa 3D di montature per occhiali in filamenti in materiali eco-compatibili


Si tenga anche presente che, in anni recenti, la ricerca scientifica ha portato a scoprire che e' possibile progettare in laboratorio nuovi "metamateriali" formati da reticoli strutturali a diverse scale, ai quali e' possibile conferire proprieta' fisco-meccaniche non rinvenibili nei materiali ordinari. Queste ultime includono rapporti estremi rigidezza/peso e resistenza/peso (materiali ultraleggeri ed ultra rigidi/ultra resistenti); impermeabilita' alle onde meccaniche; eccezionali proprieta' di isolamento termo-acustico e sismico; ecc..

NEWMATT s.r.l. ("NEW MATerials and Techniques for sustainable engineering") e' una start-up innovativa che si configura come uno spin-off dell'Universita' degli Studi di Salerno. Tale societa' e' impegnata nella ricerca, nello sviluppo e nella prototipazione rapida (mediante stampa 3D) di materiali e strutture innovative nell'ingegneria sostenibile, con particolare "focus" sui seguenti campi di attivita':

- Progettazione, prototipazione e brevetto di nuovi materiali strutturali ed industriali che derivino le loro principali proprieta' fisico-meccaniche dalla geometria della loro microstruttura, piuttosto che dalla composizione chimica del materiale componente ("metamateriali");

- Sviluppo di materiali compositi innovativi ed eco-sostenibili, che inglobino fibre e filamenti ricavati da materie da riciclo (come PET, nylon, vetro, ecc.) e/o da materiali naturali (quali, ad esempio, juta, ibisco/kenaf, lino, canapa, ecc.);

- Progettazione e prototipazione di nuove geometrie per filamenti eco-sostenibili, che siano ispirate a forme naturali ed alla geometria frattale ed abbiano una struttura gerarchica multiscala;

- Progettazione prototipazione e brevetto di materiali con eccezionali proprieta' di isolamento termo-acustico e sismico;

- Progettazione prototipazione e brevetto di strutture innovative per il design;

- Progettazione e sperimentazione di blends ottimizzati di materiali polimerici (quali ad esempio, ABS, PLA, nylon, ecc.) ed opportuni materiali di rinforzo (quali materiali ceramici, materiali metallici, fibre di vetro, fibre di carbonio, fibre di bamboo, solo per citare alcuni esempi), per la realizzazione di prototipi di nuovi oggetti di design, elementi di arredamento, capi di abbigliamento, accessori, ecc.




Un importante obiettivo di NEWMATT riguarda la progettazione e lo sviluppo di fibre e filamenti "verdi", che siano dotati di notevoli proprieta' meccaniche e rilevanti capacita' di isolamento termo-acustico. L'interesse di NEWMATT verso il mercato dei metamateriali industriali, intende colmare un vuoto d'offerta, collegando tra loro elementi quali l'innovazione di prodotto, il rispetto per l'ambiente, la qualita' della vita e la contrazione dei costi di produzione dei materiali. Tale iniziativa si posiziona pertanto, dal punto di vista competitivo, con finalita' legate al soddisfacimento di diversi bisogni-esigenze relativi ad una vasta gamma di prodotti presenti sul mercato in versione non ottimizzata dal punto di vista delle proprieta' meccaniche, delle caratteristiche termo-acustiche e della convenienza economica. NEWMATT 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", vedi Fig. 3). 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.

NEWMATT 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 verra' progettata utilizzando algoritmi frattali, che prevedano il ripetersi a diverse scale di una o piu'' 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 piu' fine rispetta a quella del corpo principale (Fig. 3). La prototipazione rapida consentira' di raggiungere livelli di dettaglio fino all'ordine del centesimo di millimetro e si articolera' 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.

Un ulteriore obiettivo di NEWMATT riguarda lo sviluppo di applicazioni innovative di materiali reticolari, che presentino moduli di elasticita' a compressione ed a taglio regolabili in funzione delle dimensioni delle membrature e delle proprieta' meccaniche dei materiali impiegati [9]. Utilizzando analisi teoriche, simulazioni computerizzate e la fabbricazione di prototipi da sottoporre a test di laboratorio, NEWMATT intende sviluppare "metamateriali" reticolari alternati a strati in materiale rigido (quali, ad esempio, lamierini metallici), per formare compositi laminati di nuova generazione.

Uso di lattici "pentamode" per la costruzione di sistemi di isolamento sismico 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, condurra' 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 piu' 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 proprieta' 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.

La qualificazione degli startupper nei settori della progettazione di elementi di rinforzo eco-sostenibili e della progettazione e prototipazione rapida di materiali e strutture e' testimoniata dalle pubblicazioni dell'elenco allegato, dalla registrazione di diversi brevetti per invenzione industriale e per il design, nonche' dalle schede descrittive di attivita' fin qui svolte, che sono fornite di seguito.

Riferimenti bibliografici
[1] CESE 3036/2013 - NAT/600. European Plastic Waste Strategy, Green Paper (Strategia Europea per i Rifiuti di Plastica, Libro Verde), disponibile on-line: http://www.eesc.europa.eu/?i=portal.en.nat-opinions.29046
[2] Fraternali, F., Ciancia, V., Chechile, R., Rizzano, G., Feo, L., Incarnato, L., 2011. Experimental Study of the Thermo-Mechanical Properties of Recycled PET Fiber Reinforced Concrete. Compos. Struct. 93, 2368-2374.
[3] Fraternali, F., Farina, I., Polzone, C., Pagliuca, E., Feo, L., 2013. On the use of R-PET strips for the reinforcement of cement mortars. Compos Part B-Eng, 46, 207-210, 2013.
[4] Fraternali, F., Spadea, S., Berardi, V.P., 2014. Effects of recycled PET fibers on the mechanical properties and seawater curing of Portland cement-based concretes. Constr Build Mater, 61, 293-302.
[5] Spadea, S., Farina, I., Berardi, V.P., Dentale, F., Fraternali, F., 2014. Energy dissipation capacity of concretes reinforced with R-PET fibers. Ingegneria Sismica, 2, 61-70.
[6] Spadea, S., Farina, I., Carrafiello, A, Fraternali, F., 2015. Recycled nylon fibers as cement mortar reinforcement. Constr. Build. Mater., 80, 200-209.
[7] Amendola, A., Nava, E.H., Goodall, R., Todd, I., Skelton, R.E., Fraternali, F., 2015. On the additive manufacturing, post-tensioning and testing of bi-material tensegrity structures. Compos. Struct., 131, 66-71.
[8] Fraternali, F., ,Amendola, A., Farina, I., Fabbrocino, F., Goodall, R., Feo, L., 2015. On the reinforcement of cementitious mortars through 3D printed polymeric and metallic fibers. Compos. Part B-Eng., 142, 254-262.
[9] Amendola, A., Smith, C.J., Goodall, R., Auricchio, F., Feo, L., Benzoni, G., Fraternali, F., 2016. Experimental response of additively manufactured metallic pentamode materials confined between stiffening plates. Compos. Struct., 90, 76-85.
[10] Singh R, Singh S, Fraternali F, 2016. Development of in-house composite wire based feed stock filaments of fused deposition modelling for wear-resistant materials and structures. Compos. Part B-Eng., in stampa (doi: 10.1016/j.compositesb.2016.05.038)

Brevetti
[B1] F. Fraternali, F. Fabbrocino, I. Farina (2015). Elemento Strutturale a Geometria Multiscala. Numero di registrazione 102015000044896, Data di registrazione 17 Agosto 2015.
[B2] F. Fraternali (2015). Dispositivo di Isolamento Sismico. Numero di registrazione 102015000015521, Data di registrazione 18 Maggio 2015.
[B3] C. Daraio, F. Fraternali (2013), "Method and Apparatus for Wave Generation and Detection Using Tensegrity Structures", Brevetto USA registrato, Numero di registrazione 8,616,328, Data di registrazione 31 Dicembre 2013, (DOI: 10.13140/2.1.2224.4166).
[B4] F. Fraternali, R. E. Skelton (2012). Deployable tensegrity lamp - Lampada tensegrity snodabile. Disegno Comunitario Registrato, Numero di registrazione 002058255-0001, Data di registrazione 14 Giugno 2012.
[B5] F. Fraternali (2012). Elemento di rinforzo per materiali compositi e relativo metodo di produzione. Numero di registrazione RM2012A000333, Universita' degli Studi di Salerno, Data di registrazione 13 Luglio 2012.