Une nouvelle forme de poids léger, les structures en « nid d'abeilles » à base de plastique résistant aux chocs qui peuvent détecter quand elles ont été endommagées pourraient trouver une utilisation dans de nouvelles formes de prothèses « intelligentes » et d'implants médicaux, ses inventeurs suggèrent.

Dans un nouvel article publié aujourd'hui dans la revue Matériaux et conception , une équipe d'ingénieurs dirigée par l'Université de Glasgow décrit comment elle a utilisé des techniques d'impression 3D pour ajouter de nouvelles propriétés à un plastique connu sous le nom de polyétheréthercétone, ou COUP D'OEIL.

Les propriétés mécaniques et la résistance du PEEK aux températures élevées et aux produits chimiques l'ont rendu utile pour une large gamme d'applications dans l'aérospatiale, secteurs de l'automobile et du pétrole et du gaz.

L'équipe a ajouté des fibres de carbone à micro-échelle à leurs structures cellulaires PEEK, donnant au matériau généralement non conducteur la capacité de transporter une charge électrique dans toute sa structure.

Ils voulaient déterminer si l'endommagement de leur composite PEEK cellulaire électroconducteur affecterait sa résistance électrique. Si c'est le cas, cela pourrait donner au nouveau matériau la capacité de « s'autodétecter » - permettant un implant de hanche, par exemple, pour signaler quand sa conductivité a changé, indiquant qu'il est usé et doit être remplacé.

Pour tester la capacité d'auto-détection de leur conception, ils ont utilisé l'impression 3D pour créer trois configurations différentes en nid d'abeille :une structure hexagonale, une structure chirale en forme de croix, et une conception réentrante à six côtés utilisant à la fois le matériau PEEK en fibre de carbone et le PEEK conventionnel.

Puis, ils ont soumis les structures alvéolaires à deux types de chargements pour comparer leurs capacités respectives à absorber l'énergie. Dans les tests d'écrasement, où une pression constante est appliquée jusqu'à ce que la structure s'effondre, chaque conception du PEEK en fibre de carbone a été surpassée par son homologue conventionnel en PEEK, qui étaient capables de résister à des pressions plus élevées.

Cependant, dans les essais d'impact, où un poids est lâché de hauteur sur les structures, les trois structures PEEK en fibre de carbone ont démontré une plus grande résistance aux dommages. La configuration hexagonale en nid d'abeille du PEEK en fibre de carbone a eu la meilleure réponse, résister à des impacts plus importants que les autres.

Dans les tests de concassage, les chercheurs ont également mesuré la résistance de la structure cellulaire PEEK en fibre de carbone à une charge électrique alors que les trois structures différentes étaient tendues. Le changement de résistance à la déformation appliquée - une mesure de la progression des dommages connue sous le nom de sensibilité piézorésistive - diminuait à mesure que la déformation de compression augmentait, entraînant une perte presque complète de la résistance électrique lorsque les structures étaient complètement écrasées. Les différents facteurs de jauge observés pour différentes configurations sont associés à leur taux de croissance des dommages en fonction de leur capacité à absorber l'énergie, suggérant que la piézorésitivité du PEEK en fibre de carbone pourrait être bénéfique pour créer une nouvelle génération de structures multifonctionnelles légères et intelligentes.

Dr Shanmugam Kumar, de la James Watt School of Engineering de l'Université de Glasgow, est l'auteur correspondant de l'article. Des collègues de l'Université Khalifa aux Émirats arabes unis et de l'Université de Cambridge au Royaume-Uni ont également contribué à la recherche.

Le Dr Kumar a déclaré :« Les propriétés uniques du PEEK l'ont rendu inestimable pour de nombreux secteurs industriels, et nous espérons que les structures cellulaires PEEK conçues en fibre de carbone que nous avons pu construire via l'impression 3D ouvriront de nouvelles possibilités.

"L'impression 3D nous donne un contrôle remarquable sur la conception et la densité de la structure cellulaire. Cela pourrait nous permettre de construire des matériaux qui ressemblent plus à la physiologie de l'os natif que les alliages métalliques solides traditionnellement utilisés dans les implants médicaux comme la hanche ou arthroplasties du genou, les rendant potentiellement plus confortables et efficaces.

"Nous espérons que ces formes cellulaires de micro-ingénierie légère, Le PEEK auto-détecté que nous avons développé trouvera de nouvelles applications dans un large éventail de domaines, non seulement dans les prothèses et autres dispositifs médicaux, mais aussi dans la conception automobile, génie aérospatial, et le secteur du pétrole et du gaz.

Le papier de l'équipe, intitulé "Absorption d'énergie et performances d'auto-détection des composites cellulaires CF/PEEK imprimés en 3D, " est publié dans Matériaux et conception .