3D-geprint materiaal brengt zijn eigen schade in beeld

Met een nieuwe methode kunneen 3D-geprinte metamateriaalstructuren tijdens belasting zelf laten zien waar schade ontstaat en hoe die zich door het materiaal verspreidt. Daarvoor hebben onderzoekers elektrische impedantietomografie (EIT) aangepast voor gebruik in deze materiaalstructuren. De techniek kan veranderingen in de elektrische geleidbaarheid in kaart brengen en zo schade in vrijwel realtime volgen.

Elektrische impedantietomografie wordt onder meer gebruikt voor medische beeldvorming. Bij EIT worden via elektroden kleine elektrische stromen door een object geleid. Aan de buitenkant worden spanningsverschillen gemeten. Uit die meetgegevens kan vervolgens een beeld worden gereconstrueerd van de elektrische geleidbaarheid binnen het object.

De onderzoekers van de universiteiten van Glasgow en Sydney hebben dit principe toegepast op 3D-geprinte metamateriaalstructuren. Het materiaal bestaat uit een fotopolymeer waarin koolstofnanobuisjes, ook wel carbon nanotubes of CNT’s genoemd, zijn verwerkt. Daardoor wordt de geprinte structuur elektrisch geleidend.

Tijdens de experimenten werden zestien elektroden rondom de proefstukken geplaatst. De onderzoekers brachten vervolgens elektrische stromen door de structuur en maten de bijbehorende spanningsverschillen. Terwijl de proefstukken mechanisch werden belast en uitgerekt, veranderde de elektrische geleidbaarheid in de structuur. Die veranderingen vormden de basis voor het lokaliseren van schade.

De geometrie wordt onderdeel van de sensor

De onderzochte structuren zijn geen massieve kunststof onderdelen, maar nauwkeurig ontworpen roosterstructuren. De geometrie van zo’n rooster bepaalt in belangrijke mate hoe het materiaal mechanisch reageert en hoe elektrische geleidingspaden door de structuur lopen.

Wanneer het materiaal wordt uitgerekt, veranderen die geleidingspaden. Zodra afzonderlijke delen van het rooster beschadigd raken of breken, verandert ook de manier waarop de elektrische stroom door de structuur loopt. Daardoor veranderen de gemeten spanningen aan de buitenzijde.

Een algoritme gebruikt deze veranderingen vervolgens om een kaart van de elektrische geleidbaarheid te reconstrueren. Zo ontstaat een beeld van de interne toestand van de materiaalstructuur. De methode kan daarbij ook schade lokaliseren die zich niet direct bij een elektrode bevindt.

Schade zichtbaar voordat het materiaal bezwijkt

Een belangrijk resultaat is dat de onderzoekers niet alleen het uiteindelijke bezwijken van de proefstukken konden detecteren. De EIT-metingen maakten het ook mogelijk om de opbouw van schade tijdens het uitrekken te volgen.

In de experimenten ontstonden achtereenvolgens breuken in delen van de roosterstructuur. De elektrische metingen konden die veranderingen met een hoge tijdsresolutie volgen. Ook kleine, bewust aangebrachte scheurtjes konden worden gevolgd terwijl ze zich onder toenemende belasting verder ontwikkelden.

De gereconstrueerde geleidbaarheidskaarten konden de locatie van de schade tot ongeveer één staafje van de werkelijke positie bepalen. Daarmee laat de methode zien dat elektrische metingen niet alleen kunnen aangeven dát een materiaal beschadigd is, maar ook waar die schade zich bevindt en hoe deze zich ontwikkelt.

Geen losse sensor, maar het materiaal zelf

Bij conventionele materiaalbewaking worden vaak afzonderlijke sensoren op of in een constructie aangebracht. Die sensoren kunnen bijvoorbeeld op specifieke plaatsen rek, spanning of beschadiging meten. Bij complexe metamateriaalstructuren is het echter lastig om met een beperkt aantal lokale sensoren een volledig beeld van de schade te krijgen.

Bij de nieuwe aanpak vormt de elektrische geleidbaarheid van het materiaal zelf de basis voor de meting. De koolstofnanobuisjes zorgen ervoor dat veranderingen in de structuur zich vertalen naar veranderingen in het elektrische netwerk. Door vervolgens meerdere elektroden rond het materiaal te gebruiken, kan de schade over een groter gebied worden gevolgd.

Professor Shanmugam Kumar van de University of Glasgow, die het onderzoek leidde, vergelijkt de uitkomst met een soort MRI-scan van het materiaal. Het gaat daarbij uiteraard niet om dezelfde beeldvormingstechniek als bij een medische MRI, maar om het principe dat metingen aan de buitenkant worden gebruikt om veranderingen binnenin zichtbaar te maken.

Naar materialen die zelf schade detecteren

De onderzoekers zien de methode als een stap richting materiaalstructuren die hun eigen toestand kunnen bewaken. Dat kan vooral interessant zijn voor metamaterialen waarvan de complexe geometrie belangrijke mechanische eigenschappen oplevert, maar waarbij traditionele inspectiemethoden lastig toepasbaar zijn.

Mogelijke toekomstige toepassingen liggen volgens de onderzoekers onder meer bij onderdelen voor vliegtuigen en auto’s, structurele gezondheidsbewaking en medische implantaten. Het gaat daarbij om mogelijke toekomstige toepassingen; de huidige studie is nog experimenteel.

De onderzoekers bouwen voort op eerder werk waarin een model werd ontwikkeld om te voorspellen hoe de elektrische geleidbaarheid van dergelijke structuren verandert wanneer ze worden uitgerekt of samengedrukt. Met EIT kunnen die veranderingen nu rechtstreeks tijdens het experiment worden gevolgd en vertaald naar een ruimtelijk beeld van de schade.

De studie laat daarmee zien dat de combinatie van 3D-printen, elektrisch geleidende materialen en elektrische impedantietomografie meer kan opleveren dan alleen een materiaal dat zijn mechanische functie vervult. Dezelfde structuur kan ook informatie geven over zijn eigen toestand. Dat opent de weg naar metamaterialen die niet alleen ontworpen zijn om een bepaalde mechanische prestatie te leveren, maar die tijdens hun gebruik ook zelf kunnen aangeven waar schade ontstaat en hoe die zich ontwikkelt.