Istraživanje koje eliminiše nagađanje u razvoju naprednih 3D štampanih materijala moglo bi da pomogne da se ubrza razvoj novih oblika aviona, robota, mostova i još mnogo toga.
Tim inženjera predvođen istraživačima sa Univerziteta u Glazgovu razvio je prvi sistem sposoban da modelira složenu fiziku 3D štampanih kompozita koji su sposobni da detektuju naprezanje, opterećenje i oštećenja koristeći ništa više od mere električne struje.
Omogućavajući naučnicima za materijale da po prvi put unapred predvide kako se nove strukture mogu fino podesiti da bi proizvele specifične kombinacije čvrstoće, krutosti i samoosećajnih svojstava, to bi moglo pomoći da se katalizira razvoj revolucionarnih novih aplikacija za tehnologiju.
U sektoru vazduhoplovstva i automobila, novi materijali proizvedeni korišćenjem uvida tima mogli bi da omoguće praćenje strukturalnog integriteta u realnom vremenu u avionima, svemirskim letelicama i komponentama vozila, povećavajući bezbednost i efikasnost održavanja.
Za građevinarstvo, ovi materijali bi mogli da omoguće razvoj pametne infrastrukture obezbeđujući kontinuiranu procenu struktura mostova, tunela i visokih zgrada, naglašavajući probleme mnogo pre nego što dovedu do kolapsa. Mogli bi ponuditi slične pogodnosti za robote na poslu u automatizovanoj proizvodnji, ili čak pomoći vojnicima na bojnom polju da prate integritet svojih pancira.
3D štampa, takođe poznata kao aditivna proizvodnja, omogućava stvaranje složenih struktura tako što ih gradi sloj po sloj od materijala poput plastike, metala ili keramike.
Kako se tehnologija razvijala, istraživači su bili u mogućnosti da stvore sve složenije materijale sa jedinstvenim svojstvima. Uvođenje rešetke komora nalik saću u unutrašnjost strukture, na primer, može omogućiti materijalima da delikatno izbalansiraju težinu sa čvrstoćom strukture.
Pletenje finih niti od ugljeničnih nanocevi kroz materijale može im omogućiti da nose električnu struju, prožimajući ih sposobnošću da nadgledaju sopstveni strukturni integritet kroz fenomen koji se zove piezootpornost. Kada se očitavanje trenutnog stanja promeni, to može ukazati na to da je materijal zgnječen ili rastegnut, što omogućava preduzimanje radnji za otklanjanje kvara.
Profesor Šanmugam Kumar sa inženjerske škole Džejms Vat Univerziteta u Glazgovu vodio je istraživanje, koje je objavljeno u časopisu Napredni funkcionalni materijali. Rekao je: „Predavanje piezorezistivnog ponašanja 3D štampanim ćelijskim materijalima daje im mogućnost da prate sopstvene performanse bez ikakvog dodatnog hardvera.
To znači da možemo da upotpunimo jeftine, relativno jednostavne materijale za proizvodnju sa izuzetnom sposobnošću da otkrijemo kada su oštećeni i izmerimo koliko su oštećeni. Ove vrste rešetkastih materijala, koje nazivamo autonomnim senzorskim arhitektonskim materijalima, imaju značajan neiskorišćen potencijal za kreiranje naprednih aplikacija u različitim oblastima.
„Iako istraživači znaju za ova svojstva već neko vreme, ono što nismo bili u mogućnosti da uradimo je da obezbedimo način da unapred znamo koliko će efikasni novi pokušaji stvaranja novih samoosetljivih materijala biti. Umesto toga, često smo se oslanjali na pokušajima i greškama kako bi se odredio optimalni pristup za razvoj ovih materijala, što može biti i dugotrajno i skupo.“
U radu, istraživači opisuju kako su razvili svoj sistem kroz rigorozan skup laboratorijskih eksperimenata u kombinaciji sa modeliranjem.
Koristili su plastiku poznatu kao polieterimid (PEI) pomešanu sa ugljeničnim nanocevima da bi stvorili seriju od četiri različita dizajna lakih rešetkastih struktura. Ovi dizajni su zatim testirani na njihovu krutost, snagu, apsorpciju energije i sposobnosti samoosetljivosti.
Koristeći sofisticirano kompjutersko modeliranje, razvili su sistem koji ima za cilj da predvidi kako će materijali reagovati na različit skup opterećenja. Zatim su potvrdili svoja predviđanja modela konačnih elemenata na više skala podvrgavajući materijale intenzivnoj analizi u uslovima stvarnog sveta, koristeći infracrvenu termičku sliku da vizualizuju električnu struju koja teče kroz materijale u realnom vremenu, koristeći analogiju između toplote i strujnog toka unutar ovih materijala. .
Otkrili su da njihovi modeli mogu tačno predvideti kako će materijali reagovati na različite kombinacije stresa i naprezanja i kako će uticati na njihov električni otpor. Rezultati bi mogli da pomognu da se podupre budući razvoj aditivne proizvodnje pružanjem uvida u to kako će predloženi novi materijali delovati pre nego što se odštampa prvi prototip u stvarnom svetu.
Istraživanje se zasniva na prethodnim razvojima tima, koji je nedavno objavio rad koji prikazuje još jedan pristup modeliranju koji omogućava istraživačima da predvide kako greške izazvane aditivnom proizvodnjom mogu uticati na strukturni integritet bilo kog novog dizajna.
Profesor Kumar je dodao: „Ovom studijom razvili smo sveobuhvatan sistem sposoban da modelira performanse samoosetljivih, 3D štampanih materijala. Podstaknut rigoroznim eksperimentisanjem i teorijom, on predstavlja prvi sistem te vrste koji omogućava modeliranje 3D štampani materijali u više razmera i uključuju više vrsta fizike.“
„Dok smo se u ovom radu fokusirali na PEI materijale sa ugrađenim ugljeničnim nanocevima, višerazmerno modeliranje konačnih elemenata na kojima se zasnivaju naši rezultati moglo bi se lako primeniti na druge materijale koji se takođe mogu kreirati aditivnom proizvodnjom.
„Nadamo se da će ovaj pristup podstaći druge istraživače da razviju nove arhitektonske materijale sa autonomnim senzorima, otključavajući puni potencijal ove metodologije u dizajnu i razvoju materijala u širokom spektru industrija.
