Material impresso em 3D consegue mostrar onde está começando a quebrar | Reprodução/Universidade de Glasgow
Uma estrutura impressa em 3D pode começar a “mostrar” onde está sendo danificada antes mesmo de quebrar completamente.
Pesquisadores das universidades de Glasgow, no Reino Unido, e Sydney, na Austrália, desenvolveram um método que transforma estruturas lattice impressas em 3D em materiais capazes de monitorar o próprio estado.
O segredo está na combinação de nanotubos de carbono, impressão 3D e uma técnica de imagem normalmente utilizada na medicina.
Quando a peça é submetida a esforço, pequenas mudanças na passagem de corrente elétrica permitem reconstruir um mapa das regiões onde o dano começa a aparecer.
Estrutura inteira funciona como sensor
Em sistemas tradicionais de monitoramento, sensores precisam ser instalados em pontos específicos de uma estrutura.
Eles conseguem informar o que está acontecendo naquele local.
O problema aparece quando a peça possui uma geometria complexa.
Uma estrutura lattice, por exemplo, pode ter dezenas ou centenas de pequenas hastes distribuindo cargas em direções diferentes.
Nesse caso, um sensor colocado em determinado ponto pode não perceber uma falha começando longe dali.
A solução desenvolvida pelos pesquisadores faz a própria estrutura funcionar como uma rede de sensores.
Nanotubos de carbono deixam o material condutivo
Para isso, a equipe utilizou uma resina fotopolimerizável misturada com nanotubos de carbono.
Esses nanotubos tornam o material eletricamente condutivo.
Depois, os pesquisadores imprimiram estruturas lattice com diferentes geometrias e instalaram eletrodos ao redor das peças.
Ao aplicar uma corrente elétrica, é possível observar como ela percorre toda a estrutura.
Quando uma pequena região começa a deformar ou romper, o caminho da eletricidade também muda.
É justamente essa alteração que denuncia o problema.
Técnica usada em hospitais foi adaptada
Para localizar as mudanças, a equipe utilizou tomografia de impedância elétrica, conhecida pela sigla EIT.
A tecnologia já é empregada na medicina.
Em hospitais, ela pode ajudar a monitorar como o ar se distribui pelos pulmões de um paciente por meio de pequenas variações elétricas medidas na superfície do corpo.
Os pesquisadores adaptaram a mesma lógica para materiais impressos em 3D.
Em vez de observar tecido humano, o sistema acompanha como a eletricidade atravessa uma peça estrutural.
Algoritmo cria mapa do dano em tempo real
As medições dos eletrodos são enviadas para um algoritmo.
Ele reconstrói um mapa mostrando como a condutividade elétrica muda dentro da peça enquanto ela sofre esforço.
Durante os experimentos, os pesquisadores esticaram as estruturas até a ruptura.
O sistema conseguiu acompanhar o surgimento e a propagação dos danos em tempo real.
Isso inclui falhas localizadas longe dos próprios eletrodos.
Sistema detectou problema antes da quebra
Um dos resultados mais interessantes apareceu antes da falha total.
As alterações elétricas indicaram regiões onde o dano estava se acumulando antes que a estrutura finalmente rompesse.
Esse comportamento pode abrir caminho para sistemas de alerta antecipado.
Em vez de descobrir uma trinca apenas durante uma inspeção ou após uma falha, uma peça poderia indicar que determinada região está começando a perder integridade.
Ainda é pesquisa experimental.
Mas esse é justamente um dos objetivos futuros apontados pela equipe.
Precisão chegou perto de uma única haste
As estruturas testadas tinham formato retangular e cerca de 48 milímetros de largura.
Cada amostra recebeu 16 eletrodos distribuídos ao redor de sua periferia.
Nos testes, o sistema conseguiu localizar danos com precisão aproximada de uma haste da própria estrutura lattice.
Para testar ainda mais a técnica, os pesquisadores também criaram propositalmente pequenas fissuras em algumas regiões.
O método conseguiu acompanhar essas trincas à medida que elas aumentavam durante o esforço mecânico.
Geometria também influencia a sensibilidade
Outro resultado chama atenção.
Nem todas as estruturas lattice respondem exatamente da mesma maneira.
Ao modificar a geometria interna, os pesquisadores conseguiram alterar também a capacidade de detectar danos.
Isso significa que, no futuro, uma peça poderia ser projetada levando em consideração duas funções simultaneamente.
Uma seria mecânica.
A outra seria sensorial.
A geometria poderia determinar não apenas como a peça suporta uma carga, mas também como ela percebe que está sendo danificada.
Metamateriais podem ganhar uma nova função
Estruturas lattice fazem parte de uma categoria mais ampla de materiais conhecidos como materiais arquitetados ou metamateriais mecânicos.
Neles, boa parte do comportamento não depende somente da composição química.
A própria geometria interna pode controlar propriedades como:
- rigidez;
- resistência;
- flexibilidade;
- absorção de impacto;
- distribuição de cargas.
A impressão 3D é particularmente adequada para fabricar essas geometrias porque consegue produzir formas internas difíceis de obter com métodos convencionais.
Agora, a mesma arquitetura também pode ajudar no monitoramento estrutural.
Implantes médicos estão entre aplicações possíveis
A Universidade de Glasgow aponta várias aplicações futuras.
Uma delas envolve implantes médicos.
Uma estrutura impressa poderia, teoricamente, fornecer informações sobre sua condição ao longo do tempo.
Isso seria especialmente interessante para implantes sujeitos a cargas repetidas.
Entretanto, a tecnologia ainda precisaria passar por extensa validação antes de qualquer uso clínico.
A pesquisa atual demonstra o princípio de funcionamento, não um implante pronto para pacientes.
Aviões e carros também entram no horizonte
Poderíamos aplicar a mesma ideia a componentes de aeronaves ou automóveis.
Peças leves com estruturas lattice são interessantes para setores onde reduzir massa sem comprometer resistência faz diferença.
Se essas estruturas também conseguirem acompanhar a própria degradação, poderiam fornecer informações adicionais durante manutenção e inspeção.
Mais uma vez, os pesquisadores deixam claro que ainda será necessário desenvolver e ampliar a tecnologia antes de aplicações industriais.
Material não “pensa” nem se repara sozinho
O termo autossensorial pode sugerir algo mais sofisticado do que realmente acontece.
A peça não possui inteligência própria.
Também não consegue reparar uma fissura.
O que ocorre é uma mudança mensurável em suas propriedades elétricas conforme sofre deformações.
Eletrodos captam essas alterações.
Um algoritmo transforma os dados em um mapa.
Portanto, a inovação está em integrar estrutura e capacidade de monitoramento no mesmo material.
Pesquisa foi publicada em revista científica
O estudo recebeu o título “Full-Field Damage Monitoring in Architected Lattices Using In situ Electrical Impedance Tomography”.
A revista científica Advanced Functional Materials publicou o trabalho online.
Participaram da pesquisa Akash Deep, Andrea Samore, Alistair McEwan, Andrew McBride e Shanmugam Kumar.
Segundo a equipe, esta é a primeira demonstração relatada de tomografia de impedância elétrica sendo utilizada in situ para monitorar danos em metamateriais arquitetados impressos em 3D.
Impressão 3D passa a fabricar estrutura e sensor juntos
Essa talvez seja a principal consequência do trabalho.
Normalmente, primeiro se fabrica uma peça.
Depois, alguém adiciona sensores para monitorá-la.
Aqui, a capacidade de detectar danos nasce dentro do próprio material durante sua fabricação.
Se a técnica conseguir avançar para escalas maiores e ambientes reais, uma peça impressa em 3D poderá cumprir duas funções ao mesmo tempo.
Sustentar uma carga.
E avisar onde está começando a falhar.
