Druk 3D zwiększył sztywność kompozytów niemal 13-krotnie
Naukowcy z Tampere University w Finlandii opracowali metodę modyfikowania właściwości mechanicznych kompozytów poprzez odpowiednie projektowanie kształtu ich wypełniaczy. Wykorzystując druk 3D, stworzyli mikroskopijne struktury, które po umieszczeniu w elastycznym materiale zwiększyły jego sztywność ponad dwunastokrotnie. Wyniki badań mogą znaleźć zastosowanie między innymi w robotyce miękkiej i inżynierii biomedycznej.
Właściwości mechaniczne materiałów kompozytowych zależą między innymi od ich składu chemicznego, jak również od rodzaju i rozmieszczenia zastosowanych wypełniaczy. Tradycyjnie wykorzystuje się w tym celu cząstki kuliste, włókna lub płytki, których geometria wynika przede wszystkim z zastosowanej metody produkcji.
Zespół kierowany przez Adela Badrię z Tampere University zaproponował inne podejście. Zamiast dostosowywać projekt materiału do dostępnych wypełniaczy, naukowcy postanowili precyzyjnie zaprojektować ich geometrię, a następnie wytworzyć je metodą druku 3D. Uczelnia poinformowała o osiągnięciach zespołu w komunikacie prasowy, a wyniki badań przedstawiono w czasopiśmie naukowym „Materials & Design”.
Kształt wypełniacza wpływa na właściwości materiału
Do produkcji wypełniaczy wykorzystano technologię DLP (Digital Light Processing), polegającą na utwardzaniu żywicy światłoczułej za pomocą odpowiednio ukierunkowanego światła. Metoda ta umożliwia wytwarzanie niewielkich struktur o precyzyjnie określonej geometrii.
Badacze przygotowali dwa rodzaje polimerowych wypełniaczy submilimetrowych rozmiarów: sześciany i czteroramienne struktury przypominające tetrapody. Następnie umieścili je w elastycznej matrycy z polidimetylosiloksanu (PDMS). Tak powstałe kompozyty poddali testom ściskania, co umożliwiło weryfikację wpływu kształtu wypełniaczy na sztywność materiału i jego reakcję na obciążenia mechaniczne.
Łącznie przebadano 51 próbek. Najlepsze rezultaty uzyskano w przypadku tetrapodów, które zwiększyły sztywność materiału nawet 12,8-krotnie w porównaniu z silikonem pozbawionym wypełniaczy. Struktury te okazały się skuteczniejsze od sześcianów o porównywalnych rozmiarach. Co ciekawe, najmniejszy wzrost sztywności odnotowano w próbkach zawierających największe sześcienne wypełniacze (o objętości 1 mm³). Materiał ten wyróżniał się odmiennym sposobem odkształcania pod wpływem obciążenia, co dodatkowo potwierdza znaczenie geometrii wypełniaczy dla właściwości mechanicznych kompozytu.
Nowe możliwości dla robotyki miękkiej
Zdaniem badaczy z Tampere University możliwość precyzyjnego projektowania geometrii wypełniaczy pozwoli w przyszłości regulować właściwości mechaniczne kompozytów bez konieczności zmieniania ich podstawowego składu materiałowego.
Jednym z potencjalnych zastosowań jest robotyka miękka, w której wykorzystuje się elastyczne elementy zdolne do kontrolowanego odkształcania. Odpowiednie rozmieszczenie wypełniaczy mogłoby umożliwić tworzenie konstrukcji o zróżnicowanej sztywności, dostosowanych do konkretnych funkcji. Technologia może również znaleźć zastosowanie w materiałach biomedycznych i strukturach wspierających inżynierię tkankową.
Badania nadal znajdują się na wczesnym etapie rozwoju. Naukowcy, w kontrolowanych testach laboratoryjnych, wykazali wpływ geometrii wypełniaczy na właściwości kompozytów. Praktyczne wykorzystanie rozwiązania będzie wymagało dalszych prac nad trwałością materiałów, powtarzalnością ich właściwości i skalowalnością produkcji.
