Magnetiska nanopartiklar för 3D printed multifunktionella material

Smarta material kan användas i många olika applikationer. I synnerhet, integrering av ett magnetiskt material inbäddat i ett matrismaterial gör det möjligt att modifiera matrismaterialets mekaniska och magnetiska egenskaper och möjliggör således realtids självavkänning av mekanisk töjning / spänning och långvarig deformationsövervakning.

MagNano3D –Magnetiska nanopartiklar för 3D printed multifunktionella material

Detta projekt syftar till att testa möjligheten att integrera magnetiska nanomaterial i trä- och polymerbaserade matriser för att producera 3D-printade multifunktionella kompositer med självavkännings- och självuppvärmningsfunktioner. Idén bygger på två avancerade tillverkningstekniker som möjliggör mer kostnads- och resurseffektiv produktion, nämligen nanoteknik och 3D-ptinting.

Koncept

Smarta material, även kallade intelligenta material, har egenskaper som svarar på förändringar i deras miljö. Detta innebär att en eller flera av deras egenskaper kan ändras genom yttre stimuli, såsom kraft, fukt, temperatur, etc. Smarta material kan användas i många olika applikationer. I synnerhet, integrering av ett magnetiskt material inbäddat i ett matrismaterial gör det möjligt att modifiera matrismaterialets mekaniska och magnetiska egenskaper och möjliggör således realtids självavkänning av mekanisk töjning / spänning och långvarig deformationsövervakning, eftersom kompositmaterialet själv fungerar som ett sensorelement. Dessa smarta material har en stor användning i applikationer som är beroende av att sensorer är integrerade i materialstrukturen, till exempel för kostnadseffektiva, diagnostiska system i drift för tillståndsövervakning och förutsägbart underhåll av industriella enheter och strukturell övervakning . Detta är särskilt intressant för omfattande tekniska material såsom polymerer som används i stor utsträckning inom industri och infrastruktur, liksom träbaserade byggmaterial.

Förutom sensoregenskaper, möjliggör magnetiska material (t ex nanopartiklar) också uppvärmning baserat på det faktum att det magnetiska materialet kan omvandla elektromagnetisk energi från ett externt applicerat AC-magnetfält till värme. Detta beror på egenskapen magnetisk hysteres av det magnetiska materialet som innebär att materlaet absorberar energi i närvaro av ett AC-magnetfält, och det är grunden för magnetisk hypertermi för behandling av cancer. När partiklarna är inbäddade i en matris som träbaserade 3D-printed delar, kan självuppvärmning av MNPs användas för homogen och välkontrollerad torkning. Magnetiskt utlöst självuppvärmning kan också utnyttjas för självläkning av sprickor i icke-ledande material t ex i polymerer. Självläkning är en process där materialet delvis kan återhämta sig från skador och därför öka komponentens livslängd och begränsa behovet av underhåll. Med andra ord, ger självläkning en möjlighet att minska de ekonomiska och miljömässiga effekterna som härrör från naturliga resurser som krävs för att genomföra traditionella underhållsarbete. Till exempel har användningen av magnetiska nanopartiklar visat positiva resultat som en tillsats i asfaltblandningar för att läka mikrosprickor genom självuppvärmning via ett AC-fält.

I både självavkännings- och självuppvärmningsapplikationer genom användning av magnetiska nanopartiklar har en betydande praktisk fördel eftersom inga direkta fysiska anslutningar, såsom ledningar eller kablar, krävs för att antingen få information eller aktivera materialet. Detta gör det möjligt att mäta responsen från materialet eller aktivera materialet utan fysisk kontakt med komponenten eller strukturelementet.

Effekt

Bredare användning av miljövänliga 3D-printing processer:

Den ökade mångsidigheten hos 3D-tryckta polymerer och biobaserade komponenter bidrar till en bredare användning och större antal möjliga tillämpningar av 3D-printing processer.

Hållbar tillverkning inom 3D-printing industrin:

Övervakning av 3D-printing processen med hjälp av självavkänningsteknik ger mer insikter i processen och minimerar kvalitetsproblem, t.ex. i torkningsprocessen och fuktnivån som krävs eller överskrids i 3D-printed konstruktion. Distribuerad självuppvärmning inifrån det tryckta materialet kommer också att förbättra tryckprocessen och därmed öka kvaliteten och minska avfallsmängden.

Ökad hållbarhet för industriella och infrastrukturella komponenter och system:

Självavkännande funktionalitet kommer att bidra till förbättrat prediktivt underhåll och strukturell övervakning av material och komponter, vilket bidrar till att minimera systemets miljöpåverkan, minska livscykelkostnaderna och förbättra systemens hållbarhet.

Ökad resursanvändningseffektivitet i den svenska träindustrin:

Trä är en av Sveriges största naturresurser och en hörnsten i svensk industri. Träindustrin genererar mycket sidoströmningsmaterial som för närvarande mest behandlas som avfall. Genom att hitta användningen av dessa material inom 3D-printing är det möjligt att konstruera med lokala material, minska avfall och minimera den transport som krävs i processen.