Elektrisch unterstützter 3D-Druck von Perlmutt-inspirierten Strukturen mit Selbsterkennungsfunktion

Wissenschaftler der University of Southern California (USC) nutzen den 3D-Druck, um das Potenzial intelligenter Metamaterialien zu untersuchen. Zusammen mit der aus Stein und Mörtel bestehenden Struktur aus hochfestem Perlmutt und elektrisch leitfähigem Graphen hat das Team die Fähigkeit gezeigt, selbstabfühlende Rüstungen zu schaffen. Ein kürzlich in einem kleinen Experiment mit einer LEGO-Figur bewiesenes Dokument zeigt, wie der Prozess zur Überwachung von Schäden eingesetzt werden kann.

Das Smart-Armor-Experiment des USC-Teams wird mit einem benutzerdefinierten 3D-Polymerisationsdrucker und Polymer ausgeführt. Am Boden des Bottichs fügt das Team einen zweischichtigen Teflon/PDMS-Film und eine Elektrode ein, um ein elektrisches Feld zu erzeugen. Das vom Team verwendete Harz wird mit Graphen-Nanoplättchen (GNs) vorgemischt.

Bei regelmäßigem 3D-Druck werden die GNs in diesem Zufallsprinzip zufällig angeordnet, wodurch die Gesamtstruktur variable Eigenschaften erhält. Im USC-Team verwenden sie jedoch das elektrische Feld, um diese Partikel Schicht für Schicht gleichmäßig auszurichten, was zu einer perlmuttartigen Struktur führt.

Mechanisch ist die Bruchzähigkeit dieses GN-verstärkten Materials signifikant höher als bei Polymer allein, wobei der MPa in einigen Fällen um 115% erhöht wird. Um diese Eigenschaft zu testen, führt das Team ein Mini-Helm-Experiment durch.

Der 3D-bedruckte Helm des USC-Teams ist mit einer kleinen roten LED verbunden, um den Druck von oben zu „spüren“. Wenn die Kompression zunimmt, nimmt die Intensität des Lichts ab und signalisiert dessen Bruchgefahr. Wenn der Helm zerbrochen wird, erlischt die LED und zeigt einen Ausfall des Geräts an.

Der 3D-gedruckte Smart-Helm kann den menschlichen Körper schützen und mögliche Schäden erkennen. Diese Studie zeigt, dass die Ausrichtung von GN die Brücke und das Interlock bildet, was für die Übertragung der durch Stress verursachten Schäden in der 3D-gedruckten Struktur wesentlich ist. Das entwickelte elektrisch unterstützte 3D-Druckverfahren kann Strukturen mit ausgezeichneten integrierten mechanischen und elektrischen Eigenschaften sowie komplexen 3D-Formen herstellen. Eine solche neue Fertigungstechnik könnte das Design und die Herstellung von intelligenten Strukturen ermöglichen, die für verschiedene potenzielle Anwendungen in der Biomedizin-, Luftfahrt-, Transport-, Sport- und Militärindustrie geeignet sind.