Een nieuwe vorm van lichtgewicht, slagvaste, op kunststof gebaseerde 'honingraat'-structuren die kunnen voelen wanneer ze zijn beschadigd, kunnen worden gebruikt in nieuwe vormen van 'slimme' prothesen en medische implantaten, zijn uitvinders suggereren.

In een nieuw artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd: Materialen &Ontwerp , een door de Universiteit van Glasgow geleid team van ingenieurs beschrijft hoe ze 3D-printtechnieken hebben gebruikt om nieuwe eigenschappen toe te voegen aan een plastic dat bekend staat als polyetheretherketon, of PEEK.

PEEK's mechanische eigenschappen en weerstand tegen hoge temperaturen en chemicaliën hebben het bruikbaar gemaakt voor een breed scala aan toepassingen in de lucht- en ruimtevaart, automobiel- en olie- en gassector.

Het team voegde koolstofvezels op microschaal toe aan hun cellulaire PEEK-structuren, waardoor het meestal niet-geleidende materiaal het vermogen heeft om een ​​elektrische lading door de hele structuur te dragen.

Ze wilden onderzoeken of beschadiging van hun elektrisch geleidende cellulaire PEEK-composiet de elektrische weerstand zou beïnvloeden. Als, het zou het nieuwe materiaal het vermogen kunnen geven om 'zelf te voelen' - waardoor een heupimplantaat, bijvoorbeeld, om te melden wanneer de geleidbaarheid is veranderd, geeft aan dat het versleten is en moet worden vervangen.

Om het zelfgevoelige vermogen van hun ontwerp te testen, ze gebruikten 3D-printen om drie verschillende honingraatconfiguraties te creëren:een zeshoekige structuur, een kruisvormige chirale structuur, en een zeszijdig herintredend ontwerp dat zowel het koolstofvezel PEEK-materiaal als conventionele PEEK gebruikt.

Vervolgens, ze onderwierpen de cellulaire structuren aan twee soorten belastingen om hun respectieve vermogen om energie te absorberen te vergelijken. Bij verbrijzelingstesten, waar consistente druk wordt uitgeoefend totdat de structuur instort, elk ontwerp van de koolstofvezel PEEK presteerde beter dan zijn conventionele PEEK-tegenhanger, die bestand waren tegen hogere drukken.

Echter, bij botsproeven, waar een gewicht van hoogte op de constructies valt, de drie PEEK-structuren van koolstofvezel vertoonden een grotere weerstand tegen beschadiging. De zeshoekige honingraatconfiguratie van de koolstofvezel PEEK had de beste respons, bestand zijn tegen grotere effecten dan alle andere.

In de verpletterende tests, de onderzoekers maten ook de weerstand van de koolstofvezel PEEK-celstructuur tegen een elektrische lading terwijl de drie verschillende structuren werden gespannen. De verandering in weerstand tegen uitgeoefende spanning - een maatstaf voor de progressie van schade die bekend staat als de piëzoresistieve gevoeligheid - nam af naarmate de compressieve spanning toenam, wat leidde tot een bijna volledig verlies van elektrische weerstand wanneer de structuren volledig werden verpletterd. De verschillende ijkfactoren die voor verschillende configuraties worden waargenomen, houden verband met hun snelheid van schadegroei in overeenstemming met hun vermogen om energie te absorberen, wat suggereert dat de piëzoresitiviteit van koolstofvezel PEEK van voordeel zou kunnen zijn bij het creëren van een nieuwe generatie slimme lichtgewicht multifunctionele structuren.

Dr. Shanmugam Kumar, van de James Watt School of Engineering van de Universiteit van Glasgow, is de corresponderende auteur van het artikel. Ook collega's van de Khalifa University in de Verenigde Arabische Emiraten en de University of Cambridge in het VK droegen bij aan het onderzoek.

Dr. Kumar zei:"De unieke eigenschappen van PEEK hebben het van onschatbare waarde gemaakt voor veel industriële sectoren, en we hopen dat de door koolstofvezel ontwikkelde PEEK-cellulaire structuren die we via 3D-printen hebben kunnen bouwen, verdere mogelijkheden zullen bieden.

"3D-printen geeft ons een opmerkelijke hoeveelheid controle over het ontwerp en de dichtheid van de celstructuur. Dat zou ons in staat kunnen stellen materialen te bouwen die meer lijken op de fysiologie van het oorspronkelijke bot dan de vaste metaallegeringen die traditioneel worden gebruikt in medische implantaten zoals heup- of knie vervangingen, waardoor ze mogelijk comfortabeler en effectiever worden.

"We hopen dat deze cellulaire vormen van micro-engineered lichtgewicht, zelfgevoelige PEEK die we hebben ontwikkeld, zal nieuwe toepassingen vinden in een breed scala van gebieden, niet alleen in protheses en andere medische hulpmiddelen, maar ook in auto-ontwerp, lucht- en ruimtevaarttechniek, en de olie- en gassector."

De krant van het team, getiteld "Energieabsorptie en zelfgevoelige prestaties van 3D-geprinte CF/PEEK cellulaire composieten, " is gepubliceerd in Materialen &Ontwerp .