A 3D nyomtatott műanyagok új generációja önállóan érzékeli a sérülést

Egy nemzetközi kutatócsoport önérzékelő tulajdonságokkal rendelkező műanyagokat fejlesztett. A Glasgow-i Egyetem vezetésével zajló projektben új típusú szerkezeteket dolgoztak ki, ami a kutatók szerint új alkalmazásokat vetít előre, akár az orvosi implantátumok, akár az ütközésálló járműszerkezetek területén.

A csapat poliéter-éter-ketonnal (PEEK), egy olyan biokompatibilis, erős és könnyű műanyaggal kísérletezett, amelyet már most is használnak mérnöki és orvostechnikai célokra. A kutatók a PEEK-ből 3D nyomtatással hoztak létre bonyolult auxetikus rácsszerkezeteket, és pontosan szabályozták ezek mechanikai és elektromos viselkedését.

„Megmutattuk, hogy tervezhetőek olyan PEEK-rácsok, amelyek nemcsak auxetikusak, hanem képesek érzékelni az alakváltozást és a sérüléseket anélkül, hogy beágyazott elektronikára lenne szükségük. Ez új lehetőségeket nyithat például okos ortopédiai implantátumok, repülőgép-burkolatok vagy akár a viselhető technológiák terén” – idézi a The Engineer Shanmugam Kumar professzort, a tanulmány egyik szerzőjét.

A kutatók négyféle alapanyagból készítettek kétdimenziós rácsokat, és három esetben szén nanocsövekkel dúsították őket, hogy vezetőképessé váljanak, kvázi szenzorként is működjenek. A mechanikai alakváltozás során a rácsok belső elektromos ellenállása mérhető módon változott, és ez a jelenség a kutatók szerint lehetővé teszi, hogy az anyag nyomon kövesse saját nyúlását, összenyomódását vagy a rá mért ütés hatásait.

A tervezés alapját egy kétvégű „Y” alakú ismétlődő egység adta, amely lehetővé tette az anyag mechanikai tulajdonságainak finomhangolását a vastagság, a szög vagy a távolság módosításával. A kutatók így különböző szilárdságú, merevségű és érzékenységű mintákat hoztak létre, valamint kidolgoztak egy számítógépes modellt, amely előre jelezte, hogy hogyan változik a rácsok elektromos ellenállása különböző mechanikai terhelések hatására.

Ez a modell segít optimalizálni az anyag viselkedését még a 3D nyomtatás előtt.

„A tervezés, a gyártás és a prediktív modellezés kombinálásával most már olyan anyagokat tudunk létrehozni, amelyek pontosan úgy viselkednek, ahogy az adott alkalmazás megkívánja – legyen szó ütéselnyelésről, sérülésérzékelésről vagy kontrollált alakváltozásról” – vázolta Kumar professzor. „Ez lehetővé teszi, hogy a jövőben kihasználjuk a ‘meghibásodásra tervezés’ elvét, így az anyag nemcsak erős és könnyű, hanem intelligens is, és folyamatosan képes figyelni a saját fizikai állapotát.”

Gábor János, NEW technology