Een modelleringssysteem zou toekomstige generaties zelfgevoelige materialen mogelijk kunnen maken

Onderzoek dat het giswerk bij de ontwikkeling van geavanceerde 3D-geprinte materialen elimineert, zou de ontwikkeling van nieuwe vormen van ‘zelfdetecterende’ vliegtuigen, robots, bruggen en meer kunnen helpen versnellen.

Een team van ingenieurs onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Glasgow heeft het eerste systeem ontwikkeld dat in staat is de complexe fysica van 3D-geprinte composieten te modelleren en spanning, belasting en schade kan detecteren met behulp van niets meer dan een maatstaf voor elektrische stroom.

Door materiaalwetenschappers voor het eerst vooraf te laten voorspellen hoe nieuwe structuren kunnen worden verfijnd om specifieke combinaties van sterkte, stijfheid en zelfgevoelige eigenschappen te produceren, zou dit de ontwikkeling van revolutionaire nieuwe toepassingen voor de technologie kunnen helpen katalyseren.

In de lucht- en ruimtevaart- en automobielsector kunnen nieuwe materialen, geproduceerd met behulp van de inzichten van het team, realtime monitoring van de structurele integriteit van vliegtuigen, ruimtevaartuigen en voertuigonderdelen mogelijk maken, waardoor de veiligheid en de onderhoudsefficiëntie worden verbeterd.

Voor de civiele techniek kunnen deze materialen ontwikkelingen op het gebied van slimme infrastructuur mogelijk maken door de constructies van bruggen, tunnels en hoogbouw voortdurend te beoordelen, waardoor problemen worden benadrukt lang voordat ze tot instorting leiden. Ze zouden vergelijkbare voordelen kunnen bieden voor robots die aan het werk zijn in geautomatiseerde productie, of zelfs soldaten op het slagveld kunnen helpen de integriteit van hun kogelvrije vesten in de gaten te houden.

Met 3D-printen, ook wel additieve productie genoemd, kunnen complexe structuren worden gecreëerd door deze laag voor laag op te bouwen uit materialen als kunststoffen, metalen of keramiek.

Naarmate de technologie zich ontwikkelde, zijn onderzoekers erin geslaagd steeds complexere materialen met unieke eigenschappen te creëren. Door bijvoorbeeld een rooster van honingraatachtige kamers in het interieur van de structuur te introduceren, kunnen materialen het gewicht subtiel in evenwicht brengen met structurele sterkte.

Door fijne strengen koolstofnanobuisjes door materialen heen te weven, kunnen ze een elektrische stroom geleiden, waardoor ze de mogelijkheid krijgen om hun eigen structurele integriteit te bewaken via een fenomeen dat piëzoweerstand wordt genoemd. Wanneer de uitlezing van de stroom verandert, kan dit erop wijzen dat het materiaal is verpletterd of uitgerekt, waardoor actie kan worden ondernomen om de fout te verhelpen.

Professor Shanmugam Kumar van de James Watt School of Engineering van de Universiteit van Glasgow leidde het onderzoek gepubliceerd in het journaal Geavanceerde functionele materialen. Hij zei: “Het meegeven van piëzoresistief gedrag aan 3D-geprinte cellulaire materialen geeft hen de mogelijkheid om hun eigen prestaties te monitoren zonder extra hardware.

Dat betekent dat we goedkope, relatief eenvoudig te vervaardigen materialen kunnen voorzien van het opmerkelijke vermogen om te detecteren wanneer ze beschadigd zijn en te meten hoe beschadigd ze zijn. Dit soort roostermaterialen, die we autonoom detecterende architectonische materialen noemen, hebben een aanzienlijk onaangeboord potentieel om geavanceerde toepassingen op verschillende gebieden te creëren.

“Hoewel onderzoekers al een tijdje op de hoogte zijn van deze eigenschappen, zijn we er niet in geslaagd een manier te bieden om van tevoren te weten hoe effectief nieuwe pogingen om nieuwe zelfgevoelige materialen te maken zullen zijn. In plaats daarvan hebben we er vaak op vertrouwd met vallen en opstaan ​​om de optimale aanpak voor de ontwikkeling van deze materialen te bepalen, wat zowel tijdrovend als kostbaar kan zijn.”

In het artikel beschrijven de onderzoekers hoe ze hun systeem hebben ontwikkeld door middel van een rigoureuze reeks laboratoriumexperimenten in combinatie met modellering.

Ze gebruikten een plastic bekend als polyetherimide (PEI) gemengd met koolstofnanobuisjes om een ​​reeks van vier verschillende lichtgewicht roosterstructuurontwerpen te creëren. Deze ontwerpen werden vervolgens getest op hun stijfheid, sterkte, energieabsorptie en zelfdetectievermogen.

Met behulp van geavanceerde computermodellen ontwikkelden ze een systeem dat erop gericht was te voorspellen hoe de materialen zouden reageren op een gevarieerde reeks belastingen. Vervolgens valideerden ze de voorspellingen van hun multischaal eindige-elementenmodel door de materialen te onderwerpen aan intensieve analyse onder reële omstandigheden, waarbij gebruik werd gemaakt van infrarood thermische beeldvorming om de elektrische stroom die in realtime door de materialen vloeide te visualiseren, waarbij gebruik werd gemaakt van de analogie tussen warmte en stroom binnen deze materialen. .

Ze ontdekten dat hun modellen nauwkeurig konden voorspellen hoe de materialen zouden reageren op verschillende combinaties van spanning en rek, en hoe hun elektrische weerstand zou worden beïnvloed. De resultaten kunnen toekomstige ontwikkelingen op het gebied van additieve productie helpen ondersteunen door inzicht te verschaffen in hoe voorgestelde nieuwe materialen zullen presteren voordat het eerste echte prototype wordt gedrukt.

Het onderzoek bouwt voort op eerdere ontwikkelingen van het team, dat onlangs een paper publiceerde waarin een andere benadering van modellering wordt gepresenteerd waarmee onderzoekers kunnen voorspellen hoe door additieve productie veroorzaakte fouten de structurele integriteit van elk nieuw ontwerp kunnen beïnvloeden.

Professor Kumar voegde hieraan toe: “Met deze studie hebben we een alomvattend systeem ontwikkeld dat in staat is de prestaties van zelfdetecterende, 3D-geprinte materialen te modelleren. Geïnformeerd door rigoureuze experimenten en theorie, vertegenwoordigt het het eerste systeem in zijn soort dat de modellering van 3D-geprinte materialen op meerdere schalen en bevatten meerdere soorten natuurkunde.”

“Hoewel we ons in dit artikel concentreerden op PEI-materialen met ingebedde koolstofnanobuisjes, zou de meerschalige eindige-elementenmodellering waarop onze resultaten zijn gebaseerd eenvoudig kunnen worden toegepast op andere materialen die ook door additieve productie kunnen worden gemaakt.

“We hopen dat deze aanpak andere onderzoekers aanmoedigt om nieuwe autonoom detecterende architectonische materialen te ontwikkelen, waardoor het volledige potentieel van deze methodologie in materiaalontwerp en -ontwikkeling in een breed scala van industrieën wordt ontsloten.”