Uma equipa internacional de investigadores desenvolveu uma técnica que permite identificar a localização de danos e acompanhar a sua evolução em tempo real através de materiais impressos em 3D.
A abordagem adapta um método de imagiologia utilizado na medicina e poderá contribuir para o desenvolvimento de novos metamateriais com capacidade de monitorizar o seu próprio estado estrutural.
O trabalho, conduzido por investigadores do Reino Unido e da Austrália, combina estruturas reticulares produzidas por impressão 3D com nanotubos de carbono e tomografia de impedância elétrica (EIT, na sigla inglesa). Os resultados foram publicados na revista científica Advanced Functional Materials.
Os chamados metamateriais arquitetados são concebidos com geometrias específicas, através da disposição controlada de elementos e espaços, para obter determinadas propriedades, como menor peso, maior resistência, capacidade de absorção de impacto ou flexibilidade. A possibilidade de acrescentar a estas estruturas uma função de monitorização poderá ter aplicações futuras em áreas como implantes médicos, componentes aeronáuticos ou carroçarias de automóveis.
Da imagiologia médica para a impressão 3D
A tomografia de impedância elétrica é utilizada em contexto médico, nomeadamente para acompanhar a função pulmonar de pacientes hospitalizados. A técnica recorre a elétrodos para medir continuamente a forma como a corrente elétrica atravessa materiais, incluindo tecidos humanos, permitindo reconstruir imagens do seu interior sem procedimentos invasivos.
Na investigação agora apresentada, o princípio foi aplicado a estruturas plásticas impressas em 3D e contendo nanotubos de carbono. A passagem de corrente através destes elementos condutores permite observar alterações no comportamento elétrico do material quando este é submetido a esforços externos.
A equipa produziu em laboratório estruturas retangulares em forma de rede, com 48 milímetros de largura, que foram progressivamente esticadas até ao ponto de rutura. Durante o ensaio, elétrodos colocados no exterior mediram as diferenças de tensão e permitiram mapear as alterações de condutividade elétrica em toda a estrutura.
À medida que o material se deformava, os percursos condutores existentes na rede também se alteravam. Um algoritmo transformou as variações de tensão em mapas que mostravam, em tempo real, onde estavam a surgir danos e de que forma estes se propagavam, incluindo em zonas afastadas dos próprios elétrodos.
Os investigadores conseguiram localizar os danos com uma precisão aproximada correspondente à dimensão de um dos elementos da estrutura reticular. Em alguns espécimes foram ainda introduzidas deliberadamente pequenas fissuras, tendo o sistema conseguido acompanhar a sua propagação à medida que aumentava a tensão aplicada.
Potencial para antecipar falhas
Os ensaios mostraram também que o sistema consegue identificar zonas onde os danos começam a acumular-se antes da rutura da estrutura. Esta capacidade poderá, no futuro, servir de base a sistemas de alerta precoce para componentes produzidos por fabrico aditivo.
Os resultados foram comparados com observações diretas das estruturas durante os testes, confirmando a correspondência entre os mapas gerados e os locais onde os danos e as falhas efetivamente ocorreram.
“Desenvolvemos uma nova forma de mapear, em tempo real, as alterações elétricas em toda uma estrutura reticular impressa em 3D. O resultado é, de certa forma, semelhante a uma ressonância magnética: tal como uma ressonância permite ver o que está a acontecer no corpo, a nossa abordagem permite observar como diferentes partes da estrutura estão a responder enquanto são submetidas a tensão”, explicou Shanmugam Kumar, professor da James Watt School of Engineering da Universidade de Glasgow.
O investigador sublinha a diferença face aos métodos convencionais, que permitem medir o comportamento num determinado ponto ou obter uma indicação média do estado estrutural do material, mas não acompanhar com o mesmo detalhe a localização e propagação dos danos.
“A nossa investigação mostra que, combinando estruturas reticulares cuidadosamente concebidas com EIT, podemos obter uma imagem muito mais completa do comportamento estrutural, incluindo a deteção de danos antes de ocorrer a falha da estrutura”, acrescentou Shanmugam Kumar.
A investigação dá continuidade ao trabalho desenvolvido pelo Sustainable Multifunctional Materials and Additive Manufacturing (SM2AM) Lab, da Universidade de Glasgow. Em 2024, o laboratório tinha apresentado um modelo destinado a prever alterações na condutividade elétrica destes materiais quando sujeitos a compressão ou alongamento. A utilização da EIT permite agora acompanhar essas alterações ao longo de toda a estrutura, em vez de limitar a análise a pontos individuais.
Shanmugam Kumar considera que a técnica poderá vir a ser aplicada na monitorização da integridade estrutural e noutros sistemas avançados de engenharia, embora reconheça que será necessário continuar o trabalho para desenvolver e aumentar a escala da tecnologia antes de uma aplicação prática.
Participaram também no estudo Akash Deep e Andrew McBride, da Universidade de Glasgow, e Andrea Samore e Alistair McEwan, da Universidade de Sydney. O artigo científico, intitulado Full-Field Damage Monitoring in Architected Lattices Using In situ Electrical Impedance Tomography, foi publicado em Advanced Functional Materials. A investigação contou com apoio dos University of Sydney–University of Glasgow Ignition Grants e de uma Vaibhav Fellowship atribuída a Shanmugam Kumar pela Indian National Academy of Engineering e pelo Department of Science & Technology da Índia.
