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Stellen Sie sich 3D-Druckmaterialien vor, die Probleme erkennen können, bevor sie ernst werden. Ingenieure der Universität Glasgow arbeiten daran, dies mit einem System zu erreichen, das die physikalischen Eigenschaften selbsterkennender Verbundmaterialien simulieren kann.
Diese Materialien können Spannung, Ladung oder Beschädigung einfach durch die Analyse des elektrischen Stroms messen und so ihren Zustand in Echtzeit überwachen. Dies eröffnet neue Perspektiven für Sicherheit und Qualitätssicherung in vielen Branchen.
Wie funktionieren diese selbsterkennenden Materialien? Laut einer Pressemitteilung der Universität Glasgow ermöglicht die Integration von Kohlenstoffnanoröhren in diese Materialien, dass sie elektrischen Strom leiten. Dieses Phänomen, Piezoresistivität genannt, ermöglicht es dem Material, die Integrität seiner eigenen Struktur zu überwachen. Ändert sich der Strom, kann dies auf Verformungen wie Druck oder Zug hinweisen, sodass Fehler erkannt und behoben werden können, bevor sie schwerwiegender werden.
Entwicklung und Erprobung selbstbestimmender Materialien
Professor Shanmugam Kumar von der James Watt School of Engineering der University of Glasgow leitete die Forschung. Er erklärt: „Die Ausstattung von 3D-gedruckten Wabenmaterialien mit piezoresistivem Verhalten ermöglicht die Überwachung ihrer Leistung, ohne dass zusätzliche Hardware erforderlich ist.
Durch die Kombination von Polyetherimid (PEI) und Kohlenstoffnanoröhren entwickelten die Forscher vier leichte Gitterstrukturen, die durch Schmelzfilamentherstellung (FFF) hergestellt wurden. Diese „autonomen Sensorbaustoffe“ werden dann getestet, um ihre Steifigkeit, Festigkeit, Energieabsorption und vor allem ihre Fähigkeit zur Selbstüberwachung zu bewerten.
Ingenieure haben Computermodelle entwickelt, die vorhersagen, wie diese Materialien auf unterschiedliche mechanische Belastungen reagieren. Diese Vorhersagen wurden in realen Tests bestätigt, bei denen die Infrarot-Thermoanalyse den Fluss von elektrischem Strom durch das Material sichtbar machte. Dies bestätigt die Genauigkeit des Modells und die Fähigkeit des Materials, Verformungen durch Widerstandsänderungen zu erkennen.
Professor Kumar erklärt, wie das von ihnen entwickelte Modell dazu beitragen wird, das Design selbsterkennender Materialien zu optimieren: „Während Forscher diese Eigenschaften schon seit einiger Zeit kennen, konnten wir keine Möglichkeit bieten, dies im Voraus zu wissen.“ Innovationen schaffen Wie effektiv werden neue Versuche mit selbstbewussten Materialien sein? „Wir müssen uns oft auf Versuch und Irrtum (Iteration) verlassen, um den besten Ansatz zu ermitteln, was zeitaufwändig und teuer ist.“
Was sind die möglichen Anwendungen von 3D-gedruckten selbsterkennenden Materialien?
Die Möglichkeiten, die diese Materialien bieten, sind enorm. In der Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie können sie die Sicherheit und Wartung verbessern, indem sie die Integrität kritischer Komponenten in Echtzeit überwachen. Bei Infrastrukturen wie Brücken oder Tunneln können diese Materialien strukturelle Probleme erkennen, bevor sie zu größeren Ausfällen führen. Ingenieure glauben, dass diese Erkenntnisse auch in Bereichen wie intelligenter Orthopädie, Strukturüberwachung, Sensoren und sogar Batterien Anwendung finden könnten.
Professor Kumar sprach auch über Zukunftsaussichten:
„Während wir uns in diesem Artikel auf PEI-Materialien mit eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren konzentrieren, kann die multiskalige Finite-Elemente-Modellierung, auf der unsere Ergebnisse basieren, auf andere Materialien angewendet werden, die durch additive Fertigung hergestellt werden.“
„Wir hoffen, dass dieser Ansatz andere Forscher dazu ermutigen wird, neue Baumaterialien mit autonomen Sensorfunktionen zu entwickeln und so das volle Potenzial dieses Ansatzes bei der Materialgestaltung und -entwicklung in allen Branchen auszuschöpfen.“
