Nova forma de material impresso em 3D voltado para designs de carros mais leves e mais seguros e muito mais

Uma nova forma de material composto impresso em 3D feito pela combinação de resinas de poliolefina com nanotubos de carbono de várias paredes foi desenvolvida por uma equipe de pesquisa liderada por engenheiros da Universidade de Glasgow que é mais resistente e mais leve do que formas semelhantes de alumínio. A equipe antecipa que isso pode levar ao desenvolvimento de estruturas mais seguras, leves e duráveis ​​para uso nas indústrias automotiva, aeroespacial, renováveis ​​e marítima. Em um novo artigo, Impact Behavior of Nanoengineered, 3D Printed Plate-Lattices, publicado na revista Materials &Design , a equipe descreve como eles desenvolveram um novo ‘metamaterial’ celular de rede de placa capaz de resistência impressionante a impactos.

Metamateriais são uma classe de sólidos celulares criados artificialmente, projetados e projetados para manifestar propriedades que não ocorrem no mundo natural. Uma forma de metamateriais, conhecidos como placas-rede, são estruturas cúbicas feitas de camadas de interseção de placas que exibem rigidez e resistência excepcionalmente altas, apesar de apresentarem uma quantidade significativa de espaço entre as placas. Esses espaços, que os engenheiros de propriedade chamam de porosidade, também tornam as grades de placas excepcionalmente leves.

Os pesquisadores começaram a investigar se novas formas de design de placa-rede, fabricado a partir de um composto de nanotubo de plástico que desenvolveram, poderia fazer um metamaterial com propriedades ainda mais avançadas de rigidez, resistência e tenacidade. Eles usaram seu composto de filamento nanoengenharia como matéria-prima em uma impressora 3D que fundiu os filamentos para construir uma série de designs de placa-rede. Esses projetos foram então submetidos a uma série de testes de impacto, derrubando uma massa de 16,7 kg de uma variedade de alturas para determinar sua capacidade de resistir a choques físicos.

Primeiro, a equipe testou três tipos de placas reticuladas típicas que eles projetaram e construíram:um cubo simples formado a partir da interseção de três placas; um cubo mais complexo com placas adicionais que se cruzam; e, um design mais multifacetado. Essas placas-rede típicas foram feitas em dois lotes - um de polipropileno e outro de polietileno.

Em seguida, eles testaram mais três placas-rede "híbridas" que incorporaram recursos dos projetos mais simples nos primeiros experimentos:um cubo simples / híbrido de cubo complexo; um híbrido cubo / multifacetado simples; e, um que amalgamava todos os três. Novamente, lotes feitos de PP e PE foram feitos.

O design híbrido que amalgamava elementos de todos os três designs típicos de placa-rede provou ser o mos t eficaz na absorção de impactos, sendo que a versão PP apresenta a maior resistência aos impactos. Usando uma medida conhecida como absorção de energia específica, que os cientistas usam para determinar a capacidade de um material de absorver energia em relação à sua massa, a equipe descobriu que a estrutura de placa híbrida PP poderia suportar 19,9 joules por grama - supostamente, um desempenho superior sobre o projetou metamateriais microarquitetados com base em alumínio.



O Dr. Shanmugam Kumar, Líder em Compósitos e Fabricação de Aditivos na Escola de Engenharia James Watt da Universidade de Glasgow, liderou o projeto de pesquisa. A equipe de pesquisa também envolveu engenheiros mecânicos e químicos da Khalifa University em Abu Dhabi e da Texas A&M University em College Station nos EUA.

Disse Kumar:“Este trabalho se situa na interseção da mecânica e dos materiais. O equilíbrio entre os filamentos de engenharia de nanoestrutura de carbono que desenvolvemos como matéria-prima para a impressão 3D e os designs de placa-rede composta híbrida que criamos produziu um resultado realmente emocionante. Na busca pela engenharia leve, há uma busca constante por materiais ultraleves de alto desempenho. Nossas placas-reticulares híbridas nanoengenharia alcançam propriedades extraordinárias de rigidez e resistência e exibem características de absorção de energia superiores em relação às estruturas semelhantes construídas com alumínio. Os avanços na impressão 3D estão tornando mais fácil e mais barato do que nunca fabricar os tipos de geometrias complicadas com porosidade sob medida que sustentam nosso design de placa-rede. A fabricação desse tipo de design em escala industrial está se tornando uma possibilidade real. ”

De acordo com Kumar e a equipe, uma aplicação-chave para esse novo tipo de placa de rede bem poderia ser na fabricação de automóveis, onde há um esforço perpétuo para construir carrocerias mais leves sem sacrificar a segurança durante os acidentes. “O alumínio é usado em muitos projetos de carros modernos, mas nossa placa de rede oferece maior resistência ao impacto, o que pode torná-la útil nesse tipo de aplicação no futuro ... A reciclabilidade dos plásticos que usamos nessas placas de rede também torna eles são atraentes à medida que avançamos em direção a um mundo líquido zero, onde os modelos econômicos circulares serão fundamentais para tornar o planeta mais sustentável ”, observou Kumar.