Le strutture reticolari stampate in 3D rivelano i danni interni in tempo reale. / 3D-printed lattices reveal internal damage in real time

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I campioni di reticolo rettangolare utilizzati negli esperimenti misuravano 48 mm di diametro e sono stati allungati fino alla rottura / The rectangular lattice specimens used in the experiments measured 48mm across and were stretched until they failed

Ricercatori nel Regno Unito ed in Australia hanno sviluppato un metodo che utilizza misurazioni elettriche per monitorare in tempo reale i danni all'interno di materiali reticolari stampati in 3D.

L'approccio combina nanotubi di carbonio, strutture polimeriche progettate e tomografia a impedenza elettrica (EIT), una tecnica più comunemente associata alla diagnostica per immagini in ambito medico. Il loro lavoro è descritto in dettaglio nella rivista  Advanced Functional Materials.

I ricercatori hanno incorporato nanotubi di carbonio in reticoli di plastica stampati in 3D, creando percorsi conduttivi attraverso strutture composte da montanti e spazi disposti con precisione. Elettrodi fissati all'esterno delle strutture sono stati utilizzati per far passare correnti elettriche attraverso il materiale e misurare le differenze di potenziale risultanti.

Con l'aumentare dei carichi di trazione applicati ai reticoli, la deformazione ed il danneggiamento hanno modificato i percorsi elettrici all'interno delle strutture. Le conseguenti variazioni di conduttività e di tensione superficiale sono state analizzate utilizzando un algoritmo per generare mappe in tempo reale del comportamento elettrico interno del materiale.

I campioni di reticolo rettangolare utilizzati negli esperimenti misuravano 48 mm di diametro e sono stati allungati fino alla rottura. Il sistema è stato in grado di identificare dove si stava sviluppando il danno, compreso il danno che si verificava lontano dagli elettrodi utilizzati per le misurazioni.

I ricercatori riferiscono che le mappe risultanti potrebbero localizzare i danni con una precisione di circa un puntone rispetto alla loro posizione effettiva. Hanno anche testato la tecnica utilizzando piccole crepe introdotte deliberatamente, scoprendo che il sistema era in grado di tracciare le crepe mentre si propagavano sotto l'effetto di una sollecitazione crescente.

Il lavoro si basa sulla ricerca condotta dal Sustainable Multifunctional Materials and Additive Manufacturing (SM2AM) Lab dell'Università di Glasgow , diretto dal professor Shanmugam Kumar. Precedenti lavori del gruppo hanno prodotto un modello per prevedere le variazioni della conduttività elettrica dei materiali reticolari quando vengono allungati o compressi.

Le tecniche di rilevamento elettrico convenzionali possono misurare le variazioni di resistenza o conduttività in punti specifici, ma forniscono informazioni limitate sulla distribuzione del danno all'interno di una struttura complessa. L'approccio EIT, invece, utilizza misurazioni effettuate sull'intera struttura per ricostruire le variazioni delle sue proprietà elettriche.

I ricercatori hanno confrontato i risultati dell'EIT con le osservazioni dirette dei campioni di prova per convalidare la capacità del sistema di identificare danni e cedimenti. I risultati hanno anche indicato che i cambiamenti potevano essere rilevati prima della rottura del reticolo.

In una dichiarazione, il professor Kumar, della James Watt School of Engineering, ha affermato: "In questa ricerca, abbiamo sviluppato un nuovo metodo per mappare in tempo reale le variazioni elettriche lungo un'intera struttura reticolare stampata in 3D. Il risultato è in qualche modo simile ad una risonanza magnetica: proprio come una risonanza magnetica può mostrare cosa sta accadendo in tutto il corpo, il nostro approccio ci permette di vedere come diverse parti del reticolo reagiscono mentre è sottoposto a sollecitazioni. Le architetture reticolari progettate consentono di controllare la fedeltà del rilevamento."

«Le misurazioni convenzionali possono dirci cosa sta succedendo in un punto specifico di un materiale, o fornire un'indicazione generale e media dello stato di salute strutturale dell'intera struttura. Tuttavia, non possono mostrarci in dettaglio dove si sta sviluppando il danno e come si sta diffondendo all'interno della struttura. La nostra ricerca dimostra che, combinando strutture reticolari attentamente progettate con la tomografia ad impedenza elettrochimica (EIT), possiamo ottenere un quadro molto più completo del comportamento strutturale, compresa l'individuazione dei danni prima che la struttura ceda definitivamente.»

"Questa tecnica potrebbe aprire la strada a potenziali applicazioni in settori quali il monitoraggio strutturale ed altri sistemi ingegneristici avanzati, sebbene siano necessari ulteriori studi per sviluppare e scalare la tecnologia per applicazioni pratiche."

I ricercatori hanno affermato che questo approccio potrebbe in futuro rivelarsi rilevante per applicazioni quali impianti medici, componenti aeronautici e strutture automobilistiche.

Akash Deep ed il professor Andrew McBride dell'Università di Glasgow hanno lavorato alla ricerca e sono coautori dell'articolo insieme alla dottoressa Andrea Samore e al professor Alistair McEwan dell'Università di Sydney.

ENGLISH

Researchers in the UK and Australia have developed a method for using electrical measurements to track damage inside 3D-printed lattice materials in real time.

The approach combines carbon nanotubes, architected polymer structures and electrical impedance tomography (EIT), a technique more commonly associated with medical imaging. Their work is detailed in Advanced Functional Materials.

The researchers incorporated carbon nanotubes into 3D-printed plastic lattices, creating conductive pathways through structures made from precisely arranged struts and spaces. Electrodes attached to the outside of the structures were used to pass electrical currents through the material and measure resulting voltage differences.

As the lattices were subjected to increasing tensile loads, deformation and damage changed the electrical pathways through the structures. The resulting changes in conductivity and surface voltages were analysed using an algorithm to generate real-time maps of the material's internal electrical behaviour.

The rectangular lattice specimens used in the experiments measured 48mm across and were stretched until they failed. The system was able to identify where damage was developing, including damage occurring away from the electrodes used for the measurements.

The researchers report that the resulting maps could locate damage to within approximately one strut of its actual position. They also tested the technique using deliberately introduced small cracks, finding that the system could track the cracks as they propagated under increasing strain.

The work builds on research by Glasgow University's Sustainable Multifunctional Materials and Additive Manufacturing (SM2AM) Lab, led by Professor Shanmugam Kumar. Previous work by the group produced a modelling framework for predicting changes in the electrical conductivity of lattice materials as they were stretched or compressed.

Conventional electrical sensing can measure changes in resistance or conductivity at particular locations, but this provides limited information about how damage is distributed across a complex lattice. The EIT approach instead uses measurements from across the structure to reconstruct changes in its electrical properties.

The researchers compared the EIT results with direct observations of the test specimens to validate the system's ability to identify damage and eventual failure. The results also indicated that changes could be detected before the lattice broke.

In a statement, Professor Kumar, of the James Watt School of Engineering, said: “In this research, we’ve developed a new way to map electrical changes across an entire 3D-printed lattice structure in real time. The output is somewhat like an MRI scan: just as an MRI can show what is happening throughout the body, our approach allows us to see how different parts of the lattice are responding while it is under strain. The engineered lattice architectures enable control over sensing fidelity.

“Conventional measurements can tell us what is happening at a particular location in a material, or provide an overall, averaged indication of the structural health of the whole structure. However, they cannot show us in detail where damage is developing and how it is spreading throughout the structure. Our research shows that, by combining carefully designed lattice structures with EIT, we can obtain this much richer picture of structural behaviour, including detecting damage before the structure ultimately fails.

“This technique could open up potential applications in areas such as structural health monitoring and other advanced engineering systems, although further work is needed to develop and scale the technology for practical applications.”

The researchers said the approach could eventually be relevant to applications including medical implants, aircraft components and automotive structures.

Akash Deep and Professor Andrew McBride from Glasgow University worked on the research and co-authored the paper with Dr Andrea Samore and Professor Alistair McEwan from the University of Sydney.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/news/eit-maps-damage-inside-3d-printed-lattice-structures?rcip=giuseppecotellessa%40libero.it&utm_campaign=Daily%20Bulletin%20-300926%20-%20Wednesday&utm_content=&utm_term=https%3A%2F%2Fwww.theengineer.co.uk%2Fcontent%2Fnews%2Feit-maps-damage-inside-3d-printed-lattice-structures&utm_medium=email&utm_source=The%20Engineer