Uma nova forma de peso leve, estruturas 'em favo de mel' baseadas em plástico resistente ao impacto, que podem detectar quando foram danificadas, podem ser utilizadas em novas formas de próteses 'inteligentes' e implantes médicos, seus inventores sugerem.

Em um novo artigo publicado hoje na revista Materiais e Design , uma equipe de engenheiros liderada pela Universidade de Glasgow descreve como eles usaram técnicas de impressão 3D para adicionar novas propriedades a um plástico conhecido como poliéter éter cetona, ou PEEK.

As propriedades mecânicas e resistência do PEEK a altas temperaturas e produtos químicos o tornaram útil para uma ampla gama de aplicações no setor aeroespacial, setores automotivo e de óleo e gás.

A equipe adicionou fibras de carbono em microescala às suas estruturas PEEK celulares, dando ao material geralmente não condutor a capacidade de transportar uma carga elétrica por toda a sua estrutura.

Eles queriam investigar se o dano ao composto PEEK celular eletrocondutor afetaria sua resistência elétrica. Se então, poderia dar ao novo material a capacidade de "autoconsciência" - permitindo um implante de quadril, por exemplo, para relatar quando sua condutividade mudou, indicando que está desgastado e precisa ser substituído.

Para testar a capacidade de autodetecção de seu projeto, eles usaram a impressão 3D para criar três configurações de favo de mel diferentes - uma estrutura hexagonal, uma estrutura quiral em forma de cruz, e um projeto reentrante de seis lados usando material PEEK de fibra de carbono e PEEK convencional.

Então, eles submeteram as estruturas celulares a dois tipos de cargas para comparar suas respectivas habilidades de absorção de energia. Em testes de esmagamento, onde uma pressão consistente é aplicada até que a estrutura entre em colapso, cada projeto do PEEK de fibra de carbono foi superado por seu homólogo PEEK convencional, que foram capazes de suportar pressões mais elevadas.

Contudo, em testes de impacto, onde um peso é lançado da altura sobre as estruturas, as três estruturas de PEEK de fibra de carbono demonstraram maior resistência a danos. A configuração de favo de mel hexagonal do PEEK de fibra de carbono teve a melhor resposta, suportando impactos maiores do que qualquer um dos outros.

Nos testes de britagem, os pesquisadores também mediram a resistência da estrutura celular PEEK de fibra de carbono a uma carga elétrica conforme as três estruturas diferentes eram tensionadas. A mudança na resistência à deformação aplicada - uma medida da progressão do dano conhecida como sensibilidade piezoresistiva - diminuiu conforme a deformação compressiva aumentou, levando a uma perda quase completa de resistência elétrica quando as estruturas foram completamente esmagadas. Os diferentes fatores de calibre observados para diferentes configurações estão associados à sua taxa de crescimento de danos de acordo com sua capacidade de absorver energia, sugerindo que a piezoresitividade da fibra de carbono PEEK poderia ser benéfica na criação de uma nova geração de estruturas multifuncionais leves e inteligentes.

Dr. Shanmugam Kumar, da James Watt School of Engineering da University of Glasgow, é o autor correspondente do artigo. Colegas da Universidade Khalifa, nos Emirados Árabes Unidos, e da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, também contribuíram com a pesquisa.

Dr. Kumar disse:"As propriedades únicas do PEEK o tornaram inestimável para muitos setores industriais, e esperamos que as estruturas celulares PEEK de fibra de carbono projetadas que fomos capazes de construir por meio de impressão 3D abram mais possibilidades.

"A impressão 3D nos dá uma quantidade notável de controle sobre o design e a densidade da estrutura celular. Isso poderia nos permitir construir materiais que se assemelham mais à fisiologia do osso nativo do que as ligas de metal sólidas tradicionalmente usadas em implantes médicos como quadril ou substituições de joelho, potencialmente tornando-os mais confortáveis ​​e eficazes.

"Esperamos que essas formas celulares de microengenharia leve, O PEEK de autodetecção que desenvolvemos encontrará novas aplicações em uma ampla gama de campos, não apenas em próteses e outros dispositivos médicos, mas também no design de automóveis, Engenharia aeroespacial, e o setor de óleo e gás. "

O papel da equipe, intitulado "Absorção de energia e desempenho de autodetecção de compostos celulares CF / PEEK impressos em 3D, "é publicado em Materiais e Design .