3D-geprinte composietonderdelen maken zelf-zendende schadedetectie mogelijk voor aerospace & bouw

Brightlands Materials Center (Geleen, Nederland) heeft 3D-geprinte composietonderdelen ontwikkeld met zelf-zendende functionaliteit. Zelf-zendend creëert kansen om kritieke structuren te monitoren in sectoren zoals aerospace, bouw en gezondheidszorg.

Wat is zelf-zendend?

Zelf-zendend is de capaciteit van een materiaal om als sensor te fungeren en informatie over zijn eigen toestand te verzamelen. Koolstofvezel-versterkte polymermatrix-composieten bieden al zelf-zendende mogelijkheden gebaseerd op meetbare veranderingen in de elektrische weerstand van de continue vezels. Zulke materialen worden ontwikkeld en gedemonstreerd voor structurele gezondheidsmonitoring (SHM) in vliegtuig- en bouwtoepassingen inclusief bruggen en gebouwen.

Traditioneel zijn dergelijke zelf-zendende composietmaterialen geproduceerd met technieken die meerdere stadia, complexere operaties en speciale apparatuur omvatten. Brightlands Materials Center combineert de zelf-zending van continue koolstofvezel met fabricage via additive manufacturing om SHM-toepassingen kosteneffectiever te maken, wat breder gebruik en uitbreiding naar nieuwe toepassingen mogelijk maakt.

Continue vezel 3D-printen opent nieuwe horizonnen

Additive manufacturing stelt zeer precieze positionering en oriëntatie van continue koolstofvezels in. Dus het is mogelijk om de vezels op gekozen locaties binnen het product te plaatsen om de vereiste sterkte en stijfheid langs gespecificeerde belastingspaden te bieden, en een integraal deel van de structuur te vormen. Dit betekent dat de koolstofvezels gelokaliseerd zijn waar ze nodig zijn om als "sensoren" te fungeren voor het monitoren van de structuur en meerdere vezels een reeks sensoren door het onderdeel kunnen vormen.

Brightlands Materials Center heeft dit concept gedemonstreerd door deformatie te monitoren in een schaalmodel van een voetgangers-composietbrug en in een eenvoudige buigbalk. Beide werden geprint met de Anisoprint (Esch-sur-Alzette, Luxemburg) Composer A4 composiet 3D-printer. "We zijn met name blij met onze nieuwe Anisoprint-systemen, omdat ze zo'n hoge vrijheid bieden in de keuze van printmaterialen alsook volledige controle over vezeldepositie," zegt Guy Bex, onderzoeksingenieur bij Brightlands Materials Center. Vrijheid in vezelpositionering is ook cruciaal voor zending omdat de continue koolstofvezels uit het onderdeel moeten steken om verbindingen te maken met de elektronische hardware gebruikt voor monitoring.

Meer precieze 3D-printresultaten

Omdat 3D-printen geen hulpmiddelen of matrijzen vereist, biedt het een een-stap-proces om continue vezel-versterkte composieten van elke vorm te produceren, wat traditionele multi-stap-technieken vervangt die complexer, tijdrovender en duurder zijn. Echter, het optimaliseren van het productieproces voor 3D-geprinte structuren kan verschillende iteraties vereisen. 3D-geprinte composieten die zelf-zendend zijn, kunnen informatie verzamelen over hun echte gebruiksomstandigheden, belangrijk voor de ontwerp- en prototype-fase van nieuwe producten.

Tijdens dergelijke tests registreert het zelf-zendende 3D-geprinte onderdeel de echte condities en krachten die in dienst ervaren worden, wat ontwerpers en ingenieurs een nauwkeuriger begrip geeft van de actuele eisen die geprinte onderdelen moeten weerstaan.

Zulk zenden kan ook onderdelen in staat stellen om als diagnostisch hulpmiddel te fungeren. Bijvoorbeeld, 3D-geprinte zelf-zendende orthese of prothese-onderdelen kunnen patiënten begeleiden en waardevolle informatie aan dokters verschaffen over spanningsverdeling en bewegingspatronen.

Onderzoekspartners

Brightlands Materials Center is een onafhankelijk onderzoekscentrum opgericht door de Nederlandse Organisatie voor toegepast wetenschappelijk onderzoek TNO (Den Haag) en de provincie Limburg. Het ondersteunt innovatie in de industrie met een sterke toepassingsfocus en biedt toegewijde contractonderzoek en participatie, inclusief een onderzoeksroadmap over 3D-geprinte zelf-zendende composieten.

Anisoprint is een uitvinder van anisoprinting — de technologie voor ontwerp en productie van optimale composietstructuren door continue vezel 3D-depositie. Het bedrijf produceert 3D-printers, materialen (gebaseerd op koolstof- en basaltvezels) en software voor het produceren van anisogeprinte composietonderdelen om wetenschappers te helpen onderzoeksproblemen op te lossen op nieuwe, effectievere manieren en om productiefabrieken in staat te stellen hun kosten te verlagen.