W świecie inżynierii materiałowej, pojawiły się nowe, intrygujące możliwości. Mowa tu o inteligentnych tworzywach sztucznych drukowanych w 3D, które posiadają niezwykłe właściwości odkształceniowe. Ten przełom może zapoczątkować nową generację materiałów zdolnych do monitorowania własnego stanu w czasie rzeczywistym.
Czym są materiały auksetyczne?
Większość z nas wie, że typowe materiały pod wpływem rozciągania stają się cieńsze. Materiały auksetyczne zachowują się jednak zupełnie inaczej – stają się szersze po rozciągnięciu. To unikalne zachowanie, możliwe dzięki starannie zaprojektowanym wewnętrznym geometriom. Nadaje im to niezwykłe właściwości mechaniczne, takie jak zwiększona absorpcja energii i ulepszona tolerancja na uszkodzenia. Dlatego też ich wykorzystanie w druku 3D otwiera drzwi do naprawdę zaawansowanych rozwiązań.
PEEK i nanorurki węglowe – klucz do inteligentnych tworzyw
Zespół inżynierów z University of Glasgow, pod kierownictwem profesora Shanmugama Kumara, stworzył przełomowe struktury auksetyczne z polieteroeteroketonu (PEEK). To wytrzymałe i biokompatybilne tworzywo używane jest już w inżynierii i medycynie. Drukowane w 3D kratownice PEEK pozwalają precyzyjnie kontrolować ich zachowanie mechaniczne i elektryczne.
Naukowcy udoskonalili te materiały, dodając do PEEK nanorurki węglowe, co nadało tworzywu przewodnictwo elektryczne. Dzięki temu, gdy kratownice odkształcają się pod wpływem obciążenia, zmienia się ich opór elektryczny – zjawisko zwane piezorezystywnością. Pozwala to materiałom „samodzielnie wyczuwać” rozciąganie, ściskanie czy uderzenia, bez potrzeby wbudowanej elektroniki. To otwiera drogę do nowych zastosowań w inteligentnych implantach, powłokach lotniczych i technologiach noszonych.
Od PLA do PEEK: Ewolucja inteligentnych materiałów
Warto wspomnieć, że obecne badania bazują na wcześniejszych pracach tego samego zespołu, opublikowanych w „Additive Manufacturing”. Wówczas wykorzystano inny plastik – polilaktyd (PLA), nasycony sadzą węglową. PLA, będąc biodegradowalnym, doskonale nadaje się do zastosowań krótkotrwałych lub jednorazowych. Implementowany jest na przykład w inteligentnych rusztowaniach w niskobciążeniowych implantach biomedycznych czy jednorazowych czujnikach w sprzęcie sportowym. Z kolei inteligentne tworzywa oparte na PEEK otwierają drzwi do trwałych, nośnych komponentów w znacznie bardziej wymagających środowiskac
Potęga modelowania obliczeniowego i przyszłość materiałów
Zespół opracował również potężny model obliczeniowy, który przewiduje zachowanie tych materiałów w różnych warunkach obciążenia. To predykcyjne narzędzie dokładnie odzwierciedla, jak zmienia się opór elektryczny kratownic w odpowiedzi na naprężenia mechaniczne. Pozwala to badaczom optymalizować zachowanie materiału w symulacji przed wydrukowaniem fizycznej próbki.
Łącząc projektowanie, wytwarzanie i modelowanie predykcyjne, można tworzyć materiały, które reagują dokładnie tak, jak trzeba – pochłaniają uderzenia, wykrywają uszkodzenia czy kontrolują odkształcenia. To prowadzi do filozofii „projektowania pod kątem uszkodzeń”, gdzie materiały są nie tylko mocne i lekkie, ale i inteligentne, zdolne do samomonitorowania.
Źródło: https://www.gla.ac.uk/news/headline_1195925_en.html
