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Forschende der Universität Glasgow haben ein System entwickelt, das in der Lage ist, die komplexe Physik von 3D-gedruckten Verbundwerkstoffen zu modellieren und Dehnungen, Belastungen und Schäden allein durch die Messung des elektrischen Stroms zu erkennen.
Die untersuchten Materialien bestehen aus einer Mischung des Kunststoffs Polyetherimid (PEI) und Kohlenstoffnanoröhren, die in verschiedene gitterartige Strukturen eingebettet sind. Durch den Einsatz von selektivem Laserschmelzen, einem Verfahren des additiven Fertigens, konnten die Forschenden komplexe Geometrien mit hoher Präzision herstellen. Anschließend wurden die Materialien mittels Neutronenstrahlung analysiert, um die inneren Spannungen und die elektrische Leitfähigkeit unter verschiedenen Belastungsbedingungen zu untersuchen.
Professor Shanmugam Kumar von der James Watt School of Engineering der Universität Glasgow, der die Forschung leitete, sagte: „Indem wir 3D-gedruckten zellulären Materialien piezoresistives Verhalten verleihen, können sie ihre eigene Leistung ohne zusätzliche Hardware überwachen. Das bedeutet, dass wir billige, relativ einfach herzustellende Materialien mit der bemerkenswerten Fähigkeit ausstatten können, zu erkennen, wenn sie beschädigt wurden, und zu messen, wie beschädigt sie sind. Diese Art von Gitterwerkstoffen, die wir als Materialien mit autonomer Sensorik bezeichnen, bergen ein erhebliches ungenutztes Potenzial für fortschrittliche Anwendungen in verschiedenen Bereichen.
Die entwickelten Modelle erlauben es Materialwissenschaftler*innen nun, die Eigenschaften neuer Strukturen im Voraus präzise vorherzusagen. Dies beschleunigt die Entwicklung und Optimierung selbstsensierender Materialien erheblich und reduziert den Bedarf an zeitaufwendigen und kostspieligen Versuch-und-Irrtum-Methoden.
Professor Kumar fügte hinzu: „Mit dieser Studie haben wir ein umfassendes System entwickelt, das in der Lage ist, die Leistung von selbstsensorischen, 3D-gedruckten Materialien zu modellieren. Auf der Grundlage strenger Experimente und Theorien ist es das erste System seiner Art, das die Modellierung von 3D-gedruckten Materialien über mehrere Skalen hinweg ermöglicht und mehrere Arten von Physik einbezieht.
Die Forschungsergebnisse, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials, markieren einen wichtigen Schritt hin zu nachhaltigeren und effizienteren Produktionsprozessen. Durch die Integration selbstüberwachender Eigenschaften in 3D-gedruckte Materialien können künftig Bauteile hergestellt werden, die ihre eigene Leistung und Sicherheit kontinuierlich überwachen, was sowohl die Wartung vereinfacht als auch die Lebensdauer der Produkte verlängert.
