A láthatatlan törés is látszik: 3D-nyomtatott intelligens rács mutatja ki a mikrosérüléseket

Egy repülőgép szárnya, egy autó szerkezeti eleme vagy egy orvosi implantátum esetében a legkisebb, szemmel láthatatlan belső repedés is végzetes következményekkel járhat. A mérnökök évtizedek óta keresik a módot arra, hogy ne csak utólag, a hiba bekövetkezése után szembesüljenek a szerkezeti gyengeségekkel, hanem már a folyamat elején közbeavatkozhassanak. A Glasgow-i és a Sydney-i Egyetem kutatói most egy olyan megoldással álltak elő, amely a 3D-nyomtatás és egy orvostudományból kölcsönzött technológia ötvözésével képes elérni, hogy az élettelen anyagok „lássanak”.

A szakemberek szén nanocsöveket építettek a 3D-nyomtatott műanyag rácsokba, így hoztak létre vezetőképes útvonalakat a precízen elrendezett tartóelemekből és üregekből álló szerkezetekben. Az Advanced Functional Materialsban bemutatott kutatás során a struktúra külsejére rögzített elektródák segítségével elektromos áramot vezettek át az anyagon, miközben folyamatosan mérték a feszültségkülönbségeket.

Ehhez az elektromos impedancia tomográfia (EIT) módszerét hívták segítségül – ezt eddig főleg a kórházi képalkotásban alkalmazták.

A kísérletek során a kutatók 4,8 centiméter széles, téglalap alakú rácsmintákat vizsgáltak, amelyeket egészen szakadásig nyújtottak. Ahogy a mechanikai igénybevétel növekedett, a belső deformációk és a kialakuló mikrosérülések módosították az elektromos útvonalakat. Egy speciális algoritmus elemzése révén a csapat képes volt valós idejű térképet alkotni az anyag belső állapotáról.

A technológia pontosságát jelzi, hogy a rendszer még akkor is beazonosította a károk helyét, ha a sérülés távol esett a mérést végző elektródáktól. A beszámolók szerint a vizuális térképek nagyjából egyetlen tartóelemnyi pontossággal mutatták meg a kritikus pontokat.

A szakemberek szándékosan létrehozott repedésekkel is tesztelték a rendszert, amely a növekvő terhelés mellett is hibátlanul követte a roncsolódás terjedését.

A fejlesztés előzménye a Glasgow-i Egyetem Fenntartható Multifunkcionális Anyagok és Additív Gyártás laboratóriumában korábban kidolgozott modell, amely „megjósolja”, hogy fizikai behatás esetén hogyan változik a rácsos anyagok vezetőképessége. Míg a korábbi módszerek csak pontszerű információt adtak, az új EIT-megközelítés a teljes szerkezetben végzett méréseket felhasználja a rekonstruáláshoz.

„Az eredmény némileg hasonlít egy MRI-vizsgálathoz: ahogy az MRI képes megmutatni, mi történik a testen belül, a mi megközelítésünk lehetővé teszi, hogy lássuk, miként reagálnak a rács különböző részei a terhelésre” – nyilatkozta a kutatáson dolgozó Shanmugam Kumar professzor.

A kutatók a tesztpéldányok közvetlen megfigyelésével is összevetették a mérési eredményeket, és igazolták, hogy a változások jóval a rács tényleges törése előtt észlelhetők. Bár a technológia gyakorlati alkalmazásához és ipari felskálázásához további fejlesztések szükségesek, a jövőben ez az eljárás alapjaiban változtathatja meg az orvosi implantátumok, a repülőgép-alkatrészek és az autóipari szerkezetek biztonsági ellenőrzését.

Gábor János, NEW technology