De cellulaire vormen van natuurlijke materialen zijn de inspiratie achter een nieuw lichtgewicht, 3D-geprint slim architectonisch materiaal ontwikkeld door een internationaal team van ingenieurs.

Het team, geleid door ingenieurs van de Universiteit van Glasgow, mengde een veel voorkomende vorm van industrieel plastic met koolstofnanobuisjes om een ​​materiaal te creëren dat sterker, sterker en slimmer is dan vergelijkbare conventionele materialen.

De nanobuisjes zorgen er ook voor dat de anders niet-geleidende kunststof een elektrische lading door de hele structuur kan dragen. Wanneer de constructie wordt blootgesteld aan mechanische belastingen, verandert de elektrische weerstand. Dit fenomeen, bekend als piëzoresitiviteit, geeft het materiaal het vermogen om zijn structurele gezondheid te "voelen".

Door gebruik te maken van geavanceerde 3D-printtechnieken die een hoge mate van controle bieden over het ontwerp van geprinte structuren, waren ze in staat om een ​​reeks ingewikkelde ontwerpen te creëren met mesoschaal poreuze architectuur, wat helpt om het totale gewicht van elk ontwerp te verminderen en de mechanische prestaties te maximaliseren.

De cellulaire ontwerpen van het team zijn vergelijkbaar met poreuze materialen die in de natuurlijke wereld worden aangetroffen, zoals bijenkorven, spons en bot, die lichtgewicht maar robuust zijn.

De onderzoekers zijn van mening dat hun cellulaire materialen nieuwe toepassingen kunnen vinden in de geneeskunde, protheses en auto- en ruimtevaartontwerp, waar er veel vraag is naar lage dichtheid, taaie materialen met het vermogen te zelfinzicht.

Het onderzoek is online beschikbaar als een vroege publicatie in het tijdschrift Advanced Engineering Materials .

In de paper beschrijven de onderzoekers hoe ze de energieabsorberende en zelfgevoelige eigenschappen van drie verschillende nanoengineered-ontwerpen hebben onderzocht die ze hebben geprint met behulp van hun aangepaste materiaal, dat is gemaakt van polypropyleen willekeurig co-polymeer en meerwandige koolstofnanobuisjes.

Van de drie geteste ontwerpen, ontdekten ze dat er één de meest effectieve mix van mechanische prestaties en zelfwaarnemingsvermogen vertoonde:een kubusvormig "plaatrooster", waarin dicht opeengepakte platte vellen waren verwerkt.

De roosterstructuur vertoont, wanneer onderworpen aan monotone compressie, een energieabsorptievermogen dat vergelijkbaar is met nikkelschuimen met dezelfde relatieve dichtheid. Het presteerde ook beter dan een aantal andere conventionele materialen met dezelfde dichtheid.

Het onderzoek werd geleid door Dr. Shanmugam Kumar van de James Watt School of Engineering van de Universiteit van Glasgow, naast collega's professor Vikram Deshpande van de universiteit van Cambridge en professor Brian Wardle van het Massachusetts Institute of Technology.

Dr. Kumar zei:"De natuur heeft ingenieurs veel te leren over het balanceren van eigenschappen en structuur om hoogwaardige lichtgewicht materialen te creëren. We hebben inspiratie uit deze vormen gehaald om onze nieuwe cellulaire materialen te ontwikkelen, die unieke voordelen bieden ten opzichte van hun conventioneel geproduceerde tegenhangers en kunnen nauwkeurig worden afgestemd om hun fysieke eigenschappen te manipuleren.

"Het willekeurige copolymeer van polypropyleen dat we hebben gekozen, biedt verbeterde verwerkbaarheid, verbeterde temperatuurbestendigheid, betere productconsistentie en betere slagvastheid. De koolstofnanobuisjes helpen het mechanisch robuust te maken en tegelijkertijd elektrische geleidbaarheid te geven. We kunnen de mate van porositeit in het ontwerp en de architect van de poreuze geometrie om massaspecifieke mechanische eigenschappen te verbeteren.

"Lichtgewicht, sterkere, zelfgevoelige materialen zoals deze hebben veel potentieel voor praktische toepassingen. Ze kunnen bijvoorbeeld helpen om lichtere, efficiëntere autocarrosserieën te maken, of rugsteunen voor mensen met problemen zoals scoliose die kunnen voelen wanneer hun lichaam worden niet optimaal ondersteund. Ze kunnen zelfs worden gebruikt om nieuwe vormen van ontworpen elektroden voor batterijen te maken."

De paper van het team, getiteld "Multifunctionality of nanoengineered self-sensing lattices enabled by additive manufacturing", is gepubliceerd in Advanced Engineering Materials . + Verder verkennen

'Slimme' 3D-geprinte beugel kan de behandeling van scoliose verbeteren