Wissenschaftler nutzen 3D-Drucktechnologie zur Entwicklung von selbstempfindlichen PEEK

Ein Team von Ingenieuren unter der Leitung der Universität Glasgow nutzte die 3D-Drucktechnologie, um einem Kunststoff namens Polyetheretherketon oder PEEK neue Eigenschaften hinzuzufügen. Diese neue leichte, schlagfeste Kunststoff-"Honeycomb"-Struktur kann erkennen, wenn sie beschädigt ist und kann in neuen "intelligenten" Prothesen und medizinischen Implantaten verwendet werden.

Nichtleitende Materialien in leitfähige Materialien umwandeln

Die mechanischen Eigenschaften von PEEK, die hohe Temperatur und die chemische Beständigkeit machen es für eine Vielzahl von Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie sowie Öl- und Gasfeldern geeignet. Das Team fügte seiner Peek-Struktur für Waben mikrogroße Kohlefasern hinzu, so dass dieses normalerweise nicht leitende Material elektrische Ladungen in seiner gesamten Struktur tragen kann.

Sie wollten untersuchen, ob Schäden an der leitfähigen Waben PEEK-Verbundwerkstoff seinen elektrischen Widerstand beeinflussen würde. Wenn dies der Fall ist, kann es dem neuen Material die Möglichkeit geben, sich selbst wahrzunehmen – zum Beispiel, indem es einem Hüftimplantat erlaubt, zu berichten, wann sich seine Leitfähigkeit geändert hat, was darauf hinweist, dass es abgenutzt ist und ersetzt werden muss.

Verschiedene Wabenkombinationen

Um die Selbsterkennungsfähigkeit ihres Designs zu testen, verwendeten sie den 3D-Druck, um drei verschiedene Wabenstrukturen zu erstellen: sechseckige Struktur, kreuzförmige chirale Struktur und sechsseitiges Foldback-Design mit Carbonfaser-PEEK-Material und traditionellen Materialien.

Dann stellen sie die Zellstruktur unter zwei Arten von Lasten, um ihre jeweiligen Energieaufnahmefähigkeiten zu vergleichen. Beim Squeeze-Test wird ein gleichmäßiger Druck ausgeübt, bevor die Struktur zusammenbricht. Jedes Design aus Kohlefaser PEEK übertrifft seine traditionellen PEEK-Pendants, die höheren Drücken standhalten können.

Wenn jedoch im Aufpralltest ein schweres Objekt aus einer Höhe auf die Struktur fällt, weisen die drei Carbonfaser-PEEK-Strukturen eine stärkere Schadensbeständigkeit auf. Die sechseckige Wabenstruktur aus Kohlefaser PEEK hat die beste Reaktion und kann größeren Stößen standhalten als jede andere.

Im Brechtest maßen die Forscher auch den Widerstand der Kohlefaser PEEK Wabenstruktur gegen elektrische Ladungen, wenn drei verschiedene Strukturen belastet wurden. Die Änderung des angewendeten Dehnungswiderstands – ein Maß für die Schadensprogression, die als piezoresistive Empfindlichkeit bekannt ist – nimmt mit zunehmender Druckdehnung ab. Wenn die Struktur vollständig zerkleinert ist, geht der Widerstand fast vollständig verloren. Die verschiedenen Spezifikationsfaktoren, die für verschiedene Konfigurationen beobachtet wurden, beziehen sich auf die Schadenswachstumsrate im Zusammenhang mit ihrer Fähigkeit, Energie zu absorbieren, was darauf hindeutet, dass die piezoresistiven Eigenschaften von Kohlenstofffaser PEEK dazu beitragen können, eine neue Generation intelligenter, leichter multifunktionaler Strukturen zu schaffen.

Zukünftige Anwendungen in vielen Branchen

Forscher sagen, dass die einzigartigen Eigenschaften von PEEK machen es von unschätzbarem Wert für viele Industriesektoren, und wir hoffen, dass die Struktur der Kohlefaser-Engineering PEEK Waben, die wir durch 3D-Druck bauen können, mehr Möglichkeiten eröffnen wird.

Der 3D-Druck ermöglicht es uns, das Design und die Dichte der Wabenstruktur stark zu kontrollieren. Im Vergleich zu festen Metalllegierungen, die traditionell für medizinische Implantate wie Hüft- oder Knieersatz verwendet werden, können wir dadurch Materialien schaffen, die näher an der Physiologie natürlicher Knochen liegen, was sie bequemer und effektiver machen kann.