Selbstsensorische Funktionalität: 3D-gedruckte Teile können sich selbst überwachen

Das niederländische Forschungs- und Entwicklungszentrum Brightlands Materials Center, das 2015 vom TNO und der Provinz Limburg gegründet wurde, konzentriert sich auf die Verbesserung von 3D-gedruckten Polymermaterialien. Jetzt präsentiert es 3D-gedruckte Verbundwerkstoffteile, die über eine selbstsensorische Funktionalität verfügen, was bedeutet, dass sie die einzigartige Fähigkeit besitzen, ihren eigenen Zustand zu erfassen; das Material fungiert im Grunde genommen als Sensor.

Das Zentrum verwendet Co-Extrusions-Verbundfasern 3D-Druck-Technologie von dem Unternehmen Anisoprint zur Herstellung von Verbundwerkstoffteilen aus Endlosfasern. Das ermöglicht eine “Selbsterkennungsfunkion”. Laut den Entwicklern können dadurch 3D-gedruckte Teile zur Schadenserkennung in wichtigen Strukturen im Gesundheitswesen, im Bauwesen oder in der Luft- und Raumfahrtindustrie genutzt werden.

Solche Verbundstoffe können zwar auch mit traditionellen Verfahren hergestellt werden, aber mit additiver Fertigung ist es nicht nur einfacher, sondern auch präziser, erklären die Macher der Technologie. Die Brightlands-Forscher führten ein Experiment durch, um ihre Methode des 3D-Drucks von Sensorfasern zu validieren, indem sie die Verformung einer maßstabsgetreuen Modell-Fußgängerbrücke überwachten. Bei der Brücke handelte es sich einfach um einen Biegebalken aus einer thermoplastischen Polymermatrix, die mit Kohlenstofffasern durchsetzt war. Er wurde mit einem 3D-Drucker von Anisoprint gedruckt, der es ermöglicht, Fasern regelmäßig durch Co-Extrusion entlang der Baurichtung einzusetzen, was – Sie haben es erraten – zu einer Anisotropie führt. Die elektrischen Verbindungen wurden so hergestellt, dass einige der Fasern aus der Brücke hervorstehen, und ihre Widerstände wurden bei unterschiedlichen aufgebrachten Lasten gemessen.

Die Ergebnisse zeigten eine klare Korrelation zwischen der auf die Brücke ausgeübten Belastung und dem elektrischen Widerstand der Endlosfasern, wobei der Widerstand mit zunehmender Kraft zunahm. Dies bestätigte den 3D-Druck des Teams von mit Endlosfasern infundierten Verbundwerkstoffen für selbstsensorische Anwendungen. Sie hoffen, den neuartigen Ansatz auf reale Einsatzbedingungen zu skalieren, bei denen 3D-gedruckte selbstsensorische Prototypen nützliche Daten darüber liefern könnten, welche Abschnitte einer Komponente die größte Last tragen oder welchen Kraftbereichen die Komponente standhalten muss.