Sind selbstsensorische Materialien die Zukunft des 3D-Drucks?

Was wäre, wenn 3D-gedruckte Materialien Probleme erkennen könnten, bevor es zu spät ist, sie zu lösen? Ingenieure der Universität Glasgow arbeiten daran, dies möglich zu machen, indem sie ein System entwickeln, das die Physik von selbstsensorischen 3D-gedruckten Verbundwerkstoffen modellieren kann. Die selbstsensorischen Materialien können Dehnungen, Belastungen und Schäden allein durch die Messung des elektrischen Stroms erkennen. Dadurch könnte der Zustand der Materialien in Echtzeit überwacht werden, was das Potential für Sicherheits- und Qualitätssicherungsfunktionen für verschiedene Anwendungen eröffnen würde.

Wie funktionieren diese selbstsensorischen Materialien? In der Pressemitteilung der Universität Glasgow heißt es: „Durch das Verweben von feinen Strängen aus Kohlenstoffnanoröhrchen in Materialien können diese einen elektrischen Strom leiten, wodurch sie die Fähigkeit erhalten, ihre eigene strukturelle Integrität durch ein Phänomen namens Piezoresistivität zu überwachen.“ Ändert sich der elektrische Strom, kann dies bedeuten, dass das Material gequetscht oder gedehnt wurde, sodass der Fehler behoben werden kann.

Die vier verschiedenen Gitter, die von den Ingenieuren der Universität Glasgow entwickelt wurden (Bild: University of Glasgow)

Professor Shanmugam Kumar von der James Watt School of Engineering der Universität Glasgow leitete die Forschungsarbeiten. Er erklärte: „Indem wir 3D-gedruckten zellulären Materialien ein piezoresistives Verhalten verleihen, können sie ihre eigene Leistung ohne zusätzliche Hardware überwachen.“

Wie wurden die selbstsensorischen Materialien getestet?

Mit ihrer Kombination aus (Polyetherimid) PEI und Kohlenstoff-Nanoröhren haben die Ingenieure der Universität Glasgow vier leichte Gitterstrukturen mit FFF hergestellt. Die Gitterdesigns, die sie als autonome sensorische Architekturmaterialien bezeichneten, wurden auf ihr piezoresistives Verhalten getestet. Ihre Steifigkeit, Festigkeit, Energieabsorption und Selbsterkennungsfähigkeiten wurden bewertet, und anschließend wurde mithilfe komplexer Computermodelle ein System entwickelt, mit dem sich vorhersagen lässt, wie die Materialien auf verschiedene Belastungen reagieren würden.

Nachdem das Team über die Vorhersagen seiner Modelle verfügte, überprüfte es diese, indem es die Materialien einer intensiven Analyse unter realen Bedingungen unterzog. Mithilfe der Infrarot-Wärmebildtechnik visualisierten sie den elektrischen Strom, der durch die Materialien fließt. Auf diese Weise konnten sie feststellen, dass ihre Modelle genau vorhersagen konnten, wie die Materialien auf verschiedene Belastungen und Beanspruchungen reagieren würden und wie ihr elektrischer Widerstand beeinflusst werden würde.

Die Gitter und ihre Wärmebilder (Bildnachweis: University of Glasgow)

Professor Kumar erläuterte, wie die von ihnen entwickelten Modelle dazu beitragen werden, die Entwicklung von selbstsensorischen Materialien zu optimieren: „Die Forscher wissen zwar schon seit einiger Zeit über diese Eigenschaften Bescheid, aber wir waren bisher nicht in der Lage, im Voraus zu wissen, wie effektiv neue Versuche zur Entwicklung neuartiger selbstsensorischer Materialien sein werden“, sagte Kumar. „Stattdessen haben wir uns oft auf Versuch und Irrtum verlassen, um den optimalen Ansatz für die Entwicklung dieser Materialien zu bestimmen, was sowohl zeit- als auch kostenaufwändig sein kann.“

Wie könnten 3D-gedruckte selbstsensorische Materialien verwendet werden?

Selbstsensorische Materialien haben ein großes Potential für verschiedene Anwendungen in der additiven Fertigung. In der Luft- und Raumfahrt- sowie in der Automobilindustrie könnten die selbstsensorischen Materialien die Sicherheit und die Wartungsfunktionen verbessern, indem sie die Überwachung der strukturellen Integrität von Flugzeugen, Raumfahrzeugen und Fahrzeugteilen in Echtzeit ermöglichen. Wenn das selbsterkennende Material für Strukturen wie Brücken und Tunnel verwendet wird, könnte es auf Probleme aufmerksam machen, bevor sie zum Einsturz führen. Die Ingenieure behaupten auch, dass ihre Ergebnisse „tiefgreifende Auswirkungen auf intelligente Orthopädie, strukturelle Gesundheitsüberwachung, Sensoren, Batterien und andere multifunktionale Anwendungen“ haben.

Die Ingenieure erläuterten, wie ihre Forschung fortgesetzt werden könnte. „Während wir uns in dieser Arbeit auf PEI-Materialien mit eingebetteten Kohlenstoff-Nanoröhren konzentriert haben, könnte die multiskalige Finite-Elemente-Modellierung, auf der unsere Ergebnisse basieren, leicht auf andere Materialien angewendet werden, die ebenfalls durch additive Fertigung hergestellt werden können.“

„Wir hoffen, dass dieser Ansatz andere Forscher dazu ermutigt, neue Materialien mit autonomer Sensorik zu entwickeln, um das volle Potential dieser Methodik für das Design und die Entwicklung von Materialien in einer Vielzahl von Branchen zu erschließen.“ Weitere Einzelheiten über die Forschung an selbstsensorischen Materialien finden Sie HIER in der Pressemitteilung der Universität Glasgow.

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*Titelbildnachweis: Polyetherimid (PEI) in Form von Pellets