Una nuova forma di leggerezza, strutture "a nido d'ape" in plastica resistente agli urti che possono rilevare quando sono state danneggiate potrebbero trovare impiego in nuove forme di protesi "intelligenti" e impianti medici, suggeriscono i suoi inventori.

In un nuovo articolo pubblicato oggi sulla rivista Materiali e design , un team di ingegneri guidato dall'Università di Glasgow descrive come hanno utilizzato le tecniche di stampa 3D per aggiungere nuove proprietà a una plastica nota come polieteretere chetone, o PEEK.

Le proprietà meccaniche del PEEK e la resistenza alle alte temperature e ai prodotti chimici lo hanno reso utile per un'ampia gamma di applicazioni nel settore aerospaziale, settore automobilistico e petrolifero.

Il team ha aggiunto fibre di carbonio su microscala alle loro strutture cellulari in PEEK, conferendo al materiale solitamente non conduttivo la capacità di trasportare una carica elettrica in tutta la sua struttura.

Volevano indagare se danneggiare il loro composito PEEK cellulare elettroconduttivo avrebbe influenzato la sua resistenza elettrica. Se è così, potrebbe dare al nuovo materiale la capacità di "auto-senso" - consentendo un impianto dell'anca, Per esempio, segnalare quando la sua conduttività è cambiata, indicando che si è consumato e deve essere sostituito.

Per testare la capacità di auto-rilevamento del loro design, hanno usato la stampa 3D per creare tre diverse configurazioni a nido d'ape:una struttura esagonale, una struttura chirale a forma di croce, e un design rientrante a sei lati che utilizza sia il materiale PEEK in fibra di carbonio che il PEEK convenzionale.

Quindi, hanno sottoposto le strutture cellulari a due tipi di carichi per confrontare le loro rispettive capacità di assorbire energia. Nei test di schiacciamento, dove viene applicata una pressione costante fino al collasso della struttura, ogni design del PEEK in fibra di carbonio è stato superato dalla sua controparte PEEK convenzionale, che erano in grado di resistere a pressioni più elevate.

Però, nelle prove di impatto, dove un peso viene fatto cadere dall'alto sulle strutture, le tre strutture PEEK in fibra di carbonio hanno dimostrato una maggiore resistenza ai danni. La configurazione esagonale a nido d'ape del PEEK in fibra di carbonio ha avuto la migliore risposta, resistere a impatti maggiori di tutti gli altri.

Nelle prove di frantumazione, i ricercatori hanno anche misurato la resistenza della struttura cellulare PEEK in fibra di carbonio a una carica elettrica mentre le tre diverse strutture venivano tese. La variazione della resistenza alla deformazione applicata, una misura della progressione del danno nota come sensibilità piezoresistiva, diminuiva all'aumentare della deformazione compressiva, portando ad una quasi completa perdita di resistenza elettrica quando le strutture sono state completamente schiacciate. I diversi fattori di misura osservati per le diverse configurazioni sono associati al loro tasso di crescita del danno in base alla loro capacità di assorbire energia, suggerendo che la piezoresittività del PEEK in fibra di carbonio potrebbe essere utile nella creazione di una nuova generazione di strutture multifunzionali leggere e intelligenti.

Dottor Shanmugam Kumar, della James Watt School of Engineering dell'Università di Glasgow, è l'autore corrispondente dell'articolo. Hanno contribuito alla ricerca anche i colleghi della Khalifa University negli Emirati Arabi Uniti e dell'Università di Cambridge nel Regno Unito.

Il Dr. Kumar ha dichiarato:"Le proprietà uniche del PEEK lo hanno reso prezioso per molti settori industriali, e speriamo che le strutture cellulari PEEK progettate in fibra di carbonio che siamo stati in grado di costruire tramite la stampa 3D aprano ulteriori possibilità.

"La stampa 3D ci offre una notevole quantità di controllo sul design e sulla densità della struttura cellulare. Ciò potrebbe consentirci di costruire materiali che assomigliano più da vicino alla fisiologia dell'osso nativo rispetto alle leghe metalliche solide tradizionalmente utilizzate negli impianti medici come l'anca o protesi al ginocchio, potenzialmente rendendoli più comodi ed efficaci.

"Speriamo che queste forme cellulari di microingegneria leggera, Il PEEK auto-rilevante che abbiamo sviluppato troverà nuove applicazioni in una vasta gamma di campi, non solo in protesi e altri dispositivi medici, ma anche nel design automobilistico, Ingegneria Aerospaziale, e il settore petrolifero e del gas".

La carta della squadra, intitolato "Assorbimento di energia e prestazioni di auto-rilevamento di compositi cellulari CF/PEEK stampati in 3D, " è pubblicato in Materiali e design .