Engenheiros da Universidade de Glasgow alcançaram um avanço no desenvolvimento de plásticos inteligentes, autossensoriais e impressos em 3D, capazes de monitorar suas próprias propriedades e condições em tempo real. Sua pesquisa, publicada recentemente na revista Materials Horizons, utiliza manufatura aditiva e PEEK para criar estruturas auxéticas com propriedades programáveis que podem ter aplicações em aplicações biomédicas e de engenharia.
Os materiais auxéticos têm despertado interesse crescente no mundo da impressão 3D, pois possuem propriedades de deformação únicas, aumentando em largura quando puxados, em vez de alongar. A impressão 3D, com sua capacidade de criar geometrias complexas, é capaz de criar estruturas finamente ajustadas necessárias para atingir propriedades auxéticas, uma capacidade que está sendo explorada por designers de lingerie, fabricantes de capacetes e engenheiros de robótica leve.
Na Universidade de Glasgow, a equipe de engenharia está utilizando essas propriedades para criar materiais automonitoráveis com resistência, elasticidade e sensibilidade à deformação programáveis. O PEEK é um termoplástico de nível industrial com propriedades resistentes e biocompatíveis, amplamente utilizado nos setores de engenharia e biomédico. Em sua recente inovação, a equipe demonstrou sua capacidade de imprimir em 3D estruturas de PEEK com propriedades auxéticas e autodetecção por meio da integração de nanotubos de carbono.
“Mostramos que é possível projetar redes PEEK que não sejam apenas auxéticas, mas também capazes de detectar deformações e danos sem a necessidade de componentes eletrônicos embarcados”, explicou o professor Shanmugam Kumar, autor correspondente do estudo e especialista em materiais e manufatura aditiva na Escola de Engenharia James Watt da Universidade de Glasgow. “Isso poderia permitir novas aplicações em implantes ortopédicos inteligentes, peles aeroespaciais ou até mesmo tecnologias vestíveis.”
A autodetecção é obtida através do princípio da piezoresistividade, que é — em termos simples — uma variação na resistividade elétrica causada por uma deformação mecânica. Ao adicionar nanotubos de carbono ao material PEEK impresso em 3D, os engenheiros efetivamente atribuíram à estrutura impressa condutividade elétrica, que pode ser medida à medida que o componente impresso sofre diversas deformações, como compressão, impacto e alongamento. Isso fornece feedback em tempo real sobre a condição da estrutura.
Além das estruturas autossensoriais — caracterizadas por um padrão em “Y” com duas extremidades — a equipe de pesquisa desenvolveu um modelo computacional capaz de prever o comportamento dos materiais sob diversas deformações e condições de carga. Isso significa que a equipe pode prever e otimizar com precisão as propriedades e o comportamento de uma estrutura impressa antes mesmo de clicar em “imprimir”, economizando materiais e tempo no processo de desenvolvimento.
“Ao combinar design, fabricação e modelagem preditiva, agora podemos criar materiais que se comportam exatamente como necessário para uma determinada aplicação, seja absorvendo impactos, detectando danos ou deformando-se de forma controlada”, acrescentou o Professor Kumar. “Isso significa que podemos avançar para uma filosofia de ‘design para falhas’, na qual os materiais não são apenas resistentes e leves, mas também inteligentes, capazes de monitorar sua própria integridade ao longo do tempo.”
No ano passado, a mesma equipe de engenheiros conduziu um estudo aprofundado sobre estruturas reticulares impressas em 3D, publicando uma biblioteca com 56 geometrias reticulares auxéticas. Neste projeto, no entanto, a equipe se concentrou no uso de PLA infundido com negro de fumo para conferir condutividade elétrica ao termoplástico. Embora o PEEK seja mais adequado para aplicações industriais devido às suas propriedades resistentes e duráveis, o PLA também desempenha um papel importante.
Como explica o Professor Kumar: “Os designs baseados em PLA são ideais para aplicações temporárias, como andaimes inteligentes em implantes biomédicos de baixa carga ou sensores descartáveis incorporados em equipamentos esportivos. Os materiais à base de PEEK, por outro lado, abrem caminho para componentes inteligentes permanentes e resistentes a cargas em ambientes muito mais exigentes.”
O objetivo final do trabalho, como prossegue o professor, é fornecer aos designers um “kit de ferramentas para construir a próxima geração de materiais multifuncionais, tão inteligentes quanto resistentes”. Essa capacidade pode ter um impacto significativo em aplicações aeroespaciais, medicina personalizada e monitoramento da saúde. Para saber mais sobre a pesquisa acesse o site.
Para continuar por dentro das principais notícias do mundo da impressão 3D acesse o nosso site.
