Les nouveaux plastiques en nid d’abeille peuvent détecter quand ils ont été endommagés

Selon ses inventeurs, une nouvelle forme de structures en « nid d’abeilles » légères et résistantes aux chocs à base de plastique, capables de détecter quand elles ont été endommagées, pourrait être utilisée dans de nouvelles formes de prothèses « intelligentes » et d’implants médicaux.

Dans un nouvel article publié dans la revue Matériaux et conception, une équipe d’ingénieurs dirigée par l’Université de Glasgow décrit comment ils ont utilisé des techniques d’impression 3D pour ajouter de nouvelles propriétés à un plastique connu sous le nom de polyétheréthercétone, ou PEEK.

L’équipe a ajouté des fibres de carbone à micro-échelle à leurs structures cellulaires en 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 à un implant de hanche, par exemple, de signaler quand sa conductivité a changé, indiquant qu’il s’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’abeilles : 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 matériau conventionnel. COUP D’OEIL.

Ensuite, ils ont soumis les structures cellulaires 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 PEEK conventionnel, qui était capable de résister à des pressions plus élevées.

Cependant, lors de tests d’impact, où un poids est lâché de hauteur sur les structures, les trois structures en 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, résistant aux impacts plus importants que n’importe lequel des autres.

Dans les tests d’écrasement, 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 contrainte appliquée – une mesure de la progression des dommages connue sous le nom de sensibilité piézorésistive – diminuait à mesure que la contrainte de compression augmentait, entraînant une perte presque complète de 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.

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.

« 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 les arthroplasties de la hanche ou du genou, les rendant potentiellement plus confortables et efficaces », a déclaré Kumar.

L’article de l’équipe, « Absorption d’énergie et performances d’auto-détection des composites cellulaires CF/PEEK imprimés en 3D », est publié dans Matériaux et conception. La recherche a été financée par l’Université de Glasgow et l’Université Khalifa.