Il ruolo dei materiali a supporto di Industria 4.0

Quali sono le macrocategorie in cui è possibile classificare i materiali avanzati?


Nuove scoperte scientifiche e nuove tecnologie stanno facilitando la messa a punto di materiali sempre più leggeri, più robusti e più elastici, che vengono impiegati in automobili, aerei, ma anche nell’elettronica e nelle telecomunicazioni. Questi non sono solo più performanti dei loro predecessori, ma spesso anche più economici.

Il tema dell’Industria 4.0 è affrontato il più delle volte partendo dall’ecosistema digitale con tutte le sue sfumature e declinazioni, ma non bisogna dimenticare che questa trasformazione coinvolge anche altre sfere della produzione che nulla hanno a che vedere con il mondo digitale. Infatti, parlare di produzioni innovative e prodotti intelligenti implica anche il ricorso alla scienza e tecnologia dei materiali e dei cosiddetti materiali avanzati che rappresentano una delle tecnologie abilitanti del nuovo manifatturiero. In questa categoria sono compresi tutti quei materiali con caratteristiche fisiche sempre più sfidanti: da quelli alleggeriti ed alta resistenza, alle leghe ceramiche e composite, passando per i materiali nano-strutturati e i biopolimeri che, insieme a tanti altri, possono essere impiegati per creare prodotti sempre più performanti ed innovativi.

Non va dimenticato che il tema principale dell’Industria 4.0 è rendere competitivo il manifatturiero e sviluppare prodotti nuovi, sostenibili e in grado di far fronte alle sfide che vengono dall’ambiente, dall’energia, dalla mobilità e dalla salute. E molto spesso i materiali rappresentano un limite proprio con riferimento a molte delle sfide inerenti tali aspetti, poiché sono di difficile gestione, non facili da trasportare o da approvvigionare e molto spesso danno origine a prodotti pesanti e monolitici.

Se si pensa all’impiego delle tecnologie additive per la realizzazione di prodotti su richiesta, diventa fondamentale studiare nuovi materiali che, una volta “stampati”, presentino le stesse o, molto spesso migliori, caratteristiche dei materiali tradizionali. Volendo realizzare un pezzo di ricambio on site, i materiali devono essere facilmente trasportabili e approvvigionabili dal cliente finale e, se a questo si aggiunge la volontà di salvaguardare la proprietà intellettuale del produttore, i materiali devono contenere l’impronta digitale virtuale ed essere attivati solo su licenza. Le filiere dell’aerospazio e dell’automobile sono le prime che stanno sperimentando queste nuove tecnologie, ma sono seguite da quasi tutte le altre. E gli esempi vanno dai cerotti “intelligenti”, che sono in grado di effettuare analisi e riparare tessuti, alle finiture superficiali invisibili, basate su inchiostri nano-strutturati, che possono essere integrate nel packaging per tracciare i prodotti. Ma ci sono anche le plastiche a km 0 che possono essere prodotte in casa e ricavate dagli scarti di caffè, prezzemolo e cannella, oppure circuiti elettronici stampabili. E ancora materiali da costruzione in grado di ridurre l’inquinamento dell’aria, cambiare forma per effetto della temperatura e catturare la luce del sole trasformandola in energia. Ma anche il tema della manutenzione predittiva è fortemente connesso a quello dei materiali intelligenti ed alla loro capacità di fungere da sensori o addirittura di auto ripararsi.

Nuove scoperte scientifiche e nuove tecnologie stanno facilitando la messa a punto di materiali sempre più leggeri, più robusti e più elastici, che vengono impiegati in automobili, aerei, ma anche nell’elettronica e nelle telecomunicazioni. Questi non sono solo più performanti dei loro predecessori, ma spesso anche più economici. Un metodo comune per migliorare i materiali è arricchirli con nanoparticelle cambiando cosi localmente le proprietà, ma non ci si limita solo a questo. Oggi i materiali avanzati possono essere classificati in due macro aree dai contorni molto sfumati: quella dei materiali innovativi, sintetizzati in laboratorio, per avere caratteristiche meccaniche, fisiche e chimiche particolari, e quelli intelligenti, che nascono con la proprietà di poter cambiare in modo autonomo le proprietà fisiche, chimiche e meccaniche in funzione di stimoli esterni, in modo da poter monitorare, modificare e comunicare nell’ambiente in cui sono utilizzati. Mentre i materiali della prima categoria sono fondamentali per lo sviluppo processi di produzione innovativi, la seconda categoria è alla base di una moltitudine di prodotti intelligenti che, grazie a proprietà intrinseche, sono in grado di monitorare l’ambiente fisico, raccoglierne ed interpretarne le informazioni, per poi rispondere ai cambiamenti di quest’ultimo in modo appropriato, ovvero strutture dotate di un’intelligenza artificiale, che possano percepire, sentire, attuare e reagire, adattarsi e persino auto-ripararsi, proprio come sono in grado di fare i sistemi biologici.

Una classificazione più fine dei materiali descritti può essere articolata secondo le seguenti tipologie:

  1. Materiali con proprietà variabili
    In questi materiali le proprietà variano in funzione dei cambiamenti dell’ambiente circostante, come ad esempio la variazione del colore della superficie in accordo con i carichi applicati. In questo modo è possibile evidenziare condizioni di carico gravose e preannunciare eventuali e conseguenti danneggiamenti. Un altro esempio è la modifica della forma a seconda del grado di danneggiamento interno causato da deformazioni permanenti o da fenomeni di fatica.
  2. Materiali con strutture o composizioni variabili
    Sono materiali simili a quelli dei materiali a proprietà variabili, ma che cambiano la propria struttura chimica e fisica, come ad esempio i materiali la cui composizione varia in accordo con condizioni ambientali, e sono in grado di decomporsi o ripristinare le proprie caratteristiche autonomamente.
  3. Materiali con funzioni variabili
    In questo caso sono le funzioni che possono variare per effetto delle variazioni dell’ambiente circostante, come ad esempio i materiali la cui soglia elettrica varia con il potenziale applicato o con le condizioni di carico, così da poter interagire automaticamente con un circuito, oppure ancora i materiali le cui proprietà ottiche variano in accordo con la lunghezza d’onda e con la quantità di luce incidente, così da adattare la luce da trasmettere
  4. Materiali con memoria di forma
    I materiali in questa categoria presentano la proprietà di essere in grado di recuperare una forma macroscopica preimpostata per effetto del semplice cambiamento della temperatura o dello stato di sollecitazione applicato.

Nel contesto di Industria 4.0 queste proprietà fanno sì che i prodotti possano essere realizzati con materiali facilmente lavorabili o dotati intrinsecamente di funzioni tipiche dei sistemi digitali.

La sfida che tali materiali consente di affrontare è sintetizzabile con una visione: un ingranaggio potrà comunicare con uno smartphone. Sebbene non ci siano due mondi più diversi fra loro, il primo costituito di “semplice” metallo, il secondo puramente digitale, tali mondi potranno incontrarsi attraverso materiali con proprietà di comunicazione e interazione con il mondo esterno. 


Oggi i materiali avanzati possono essere classificati in due macro aree dai contorni molto sfumati: quella dei materiali innovativi, sintetizzati in laboratorio, per avere caratteristiche meccaniche, fisiche e chimiche particolari, e quelli intelligenti, che nascono con la proprietà di poter cambiare in modo autonomo le proprietà fisiche, chimiche e meccaniche in funzione di stimoli esterni, in modo da poter monitorare, modificare e comunicare nell’ambiente in cui sono utilizzati.

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