Pesquisas inovadoras que eliminam as suposições no desenvolvimento de materiais avançados impressos em 3D podem ajudar a acelerar o desenvolvimento de novas formas de aviões, robôs, pontes e muito mais com “autodetecção”. Uma equipe de engenheiros liderada por pesquisadores da Universidade de Glasgow desenvolveu o primeiro sistema capaz de modelar a física complexa de compósitos impressos em 3D, capaz de detectar deformação, carga e danos usando nada mais do que uma medida de corrente elétrica.
Ao permitir que os cientistas de materiais prevejam antecipadamente, pela primeira vez, como novas estruturas podem ser ajustadas para produzir combinações específicas de resistência, rigidez e propriedades de autodetecção, isso poderia ajudar a catalisar o desenvolvimento de novas aplicações revolucionárias para a tecnologia.
Nos setores aeroespacial e automotivo, novos materiais produzidos com base nos insights da equipe poderiam permitir o monitoramento em tempo real da integridade estrutural em aeronaves, espaçonaves e componentes de veículos, aumentando a segurança e a eficiência da manutenção.
Para a engenharia civil, estes materiais poderiam permitir o desenvolvimento de infraestruturas inteligentes, fornecendo uma avaliação contínua das estruturas de pontes, túneis e edifícios altos, destacando os problemas muito antes de levarem ao colapso. Eles poderiam oferecer benefícios semelhantes para robôs trabalhando na fabricação automatizada, ou até mesmo ajudar os soldados no campo de batalha a manter o controle sobre a integridade de suas placas de armadura corporal.
A impressão 3D, também conhecida como manufatura aditiva, permite a criação de estruturas complexas, construindo-as camada por camada a partir de materiais como plásticos, metais ou cerâmicas.
À medida que a tecnologia se desenvolveu, os pesquisadores conseguiram criar materiais cada vez mais complexos com propriedades únicas. A introdução de uma rede de câmaras em forma de favo de mel no interior da estrutura, por exemplo, pode permitir que os materiais equilibrem delicadamente o peso com a resistência estrutural.
Tecer fios finos de nanotubos de carbono em todos os materiais pode permitir que eles transportem uma corrente elétrica, imbuindo-os da capacidade de monitorar sua própria integridade estrutural por meio de um fenômeno chamado piezoresistividade. Quando a leitura da corrente muda, pode indicar que o material foi esmagado ou esticado, permitindo que ações sejam tomadas para solucionar a falha.
O professor Shanmugam Kumar, da Escola de Engenharia James Watt da Universidade de Glasgow, liderou a pesquisa, que foi publicada como um artigo na revista Advanced Functional Materials. Ele disse: “Transmitir comportamento piezoresistivo a materiais celulares impressos em 3D lhes dá a capacidade de monitorar seu próprio desempenho sem qualquer hardware adicional. Isso significa que podemos imbuir materiais baratos e relativamente fáceis de fabricar com a notável capacidade de detectar quando eles têm foram prejudicados e medir o quão danificados eles estão. Esses tipos de materiais de rede, que chamamos de materiais arquitetados de detecção autônoma, possuem um potencial inexplorado significativo para criar aplicações avançadas em vários campos.
“Embora os pesquisadores já conheçam essas propriedades há algum tempo, o que não conseguimos fazer é fornecer uma maneira de saber com antecedência quão eficazes serão as novas tentativas de criar novos materiais autosensíveis. Em vez disso, muitas vezes confiamos na tentativa e erro para determinar a abordagem ideal para o desenvolvimento desses materiais, o que pode ser demorado e caro.”
No artigo, os pesquisadores descrevem como desenvolveram seu sistema por meio de um conjunto rigoroso de experimentos de laboratório combinados com modelagem.
Eles usaram um plástico conhecido como polieterimida (PEI) misturado com nanotubos de carbono para criar uma série de quatro designs diferentes de estruturas reticuladas leves. Esses projetos foram então testados quanto à sua rigidez, resistência, absorção de energia e capacidades de autodetecção.
Usando modelagem computacional sofisticada, eles desenvolveram um sistema destinado a prever como os materiais responderiam a um conjunto variado de cargas. Eles então validaram as previsões do seu modelo de elementos finitos multiescala, submetendo os materiais a análises intensas sob condições do mundo real, utilizando imagens térmicas infravermelhas para visualizar a corrente elétrica fluindo através dos materiais em tempo real, aproveitando a analogia entre o calor e o fluxo de corrente dentro desses materiais. .
Eles descobriram que seus modelos poderiam prever com precisão como os materiais responderiam a várias combinações de tensão e deformação, e como sua resistência elétrica seria afetada. Os resultados podem ajudar a sustentar desenvolvimentos futuros na fabricação aditiva, fornecendo insights sobre o desempenho dos novos materiais propostos antes da impressão do primeiro protótipo do mundo real.
A pesquisa baseia-se em desenvolvimentos anteriores da equipe, que publicou recentemente um artigo apresentando outra abordagem de modelagem que permite aos pesquisadores prever como as falhas induzidas pela fabricação aditiva podem afetar a integridade estrutural de qualquer novo projeto.
O professor Kumar acrescentou: “Com este estudo, desenvolvemos um sistema abrangente capaz de modelar o desempenho de materiais impressos em 3D com autodetecção. Baseado em experimentação e teoria rigorosas, ele representa o primeiro sistema desse tipo que permite a modelagem de Materiais impressos em 3D em múltiplas escalas e incorporam vários tipos de física.”
“Embora nos concentremos em materiais PEI com nanotubos de carbono incorporados neste artigo, a modelagem de elementos finitos multiescala na qual nossos resultados se baseiam poderia ser facilmente aplicada a outros materiais que também podem ser criados por meio da fabricação aditiva.
“Esperamos que esta abordagem incentive outros pesquisadores a desenvolver novos materiais arquitetados com detecção autônoma, liberando todo o potencial desta metodologia no design e desenvolvimento de materiais em uma ampla gama de indústrias.”
Mattia Utzeri, ex-candidato a doutorado no Laboratório de Materiais Multifuncionais Sustentáveis e Manufatura Aditiva (SM2AM) em Glasgow e atualmente pesquisador da Universidade Politécnica de Marche, na Itália, juntamente com um colaborador da Universidade Técnica de Istambul, na Turquia, contribuíram para o trabalho. O artigo da equipe, intitulado ‘Autonomous Sensing Architected Materials’, é publicado em Materiais Funcionais Avançados.