“We werken aan zelfhelende en 3D-geprinte materialen voor robots en vliegtuigen”

Je staat er liever niet bij stil wanneer je tien kilometer boven een oceaan door het luchtruim klieft: ook metalen onderdelen van een vliegtuig kunnen falen doordat ze blootgesteld worden aan krachten en stoffen in de natuur rondom hen. En de polymeercoatings die het metaal tegen corrosie moeten beschermen, blijven ook niet eeuwig even performant. 

Professor Iris De Graeve: “Een vliegtuig heeft een verwachte levensduur van zo’n dertig jaar. We proberen corrosiefenomenen goed te doorgronden. Op basis van die kennis maken we toekomstmodellen over de evolutie van metalen en polymeren onder wisselende weersomstandigheden. Ons modelling team produceert al vele jaren complexe simulaties op korte termijn. Om corrosie op langere termijn te voorspellen werken we tegenwoordig ook meer en meer met machine-learning of AI.” 

“Het oppervlak is de zwakke plek van 3D-geprinte metalen” 

Een hot topic in het lab Electrochemical and Surface Engineering is onderzoek op 3D-geprinte metalen. Die worden geprint op basis van metaalpoeders of metaaldraad en vinden toepassingen in de machinebouw, de biomedische wereld en zeker ook in de transportsector, in de productie van onderdelen voor auto’s en vliegtuigen. 

Iris De Graeve: “In de luchtvaart telt elke honderd gram: hoe lichter het vliegtuig, hoe lager het brandstofverbruik. Een onderdeel dat conventioneel wordt geassembleerd uit meerdere delen, kan je met een 3D-printer in één stuk produceren. Door een geoptimaliseerd design kan dit geprinte onderdeel zelfs lichter gemaakt worden. Daarbij moet het wel even sterk blijven. We zien dat zo’n geprint metaal andere eigenschappen heeft dan een onderdeel dat op de klassieke manier in elkaar is gezet. In het lab gaan wij na wat de impact is op corrosie en metaalmoeheid.” 

“Een robot die zich prikt aan een doorn, zal vanzelf genezen”  

In het lab Fysische Chemie en Polymeren spreekt vooral de zoektocht naar zelfherstellende polymeren tot de verbeelding. Samen met professor Bram Vanderborght van BruBotics, het Brussels Human Robotic Research Center, worden dergelijke materialen bestudeerd voor gebruik in zachte robots die moeten interageren met mens en natuur.

Guy Van Assche: “Bram vroeg ons of we een polymeer konden ontwikkelen dat zichzelf kan herstellen, om te gebruiken in de zachte delen van robots. Tot dan toe waren wij vooral met zelfherstellende, hardere polymeren bezig. Een kras of een breuk in zo’n hard polymeer kan je alleen herstellen als je het materiaal opwarmt. Wij hebben nu zachte, elastische polymeren ontwikkeld – rubberachtige polymeren - die zichzelf kunnen herstellen bij kamertemperatuur. In het polymeernetwerk zitten reversibele moleculaire bindingen, zeg maar zwakke schakels. Als je het materiaal doorsnijdt, breken vooral die zwakke verbindingen. Duw je daarna de twee delen weer tegen elkaar, dan vinden de bindingspartners elkaar terug en hechten ze zich weer vast. Met andere woorden: het materiaal herstelt zichzelf.” 

Dat is handig voor de pneumatische vinger van een robot. Snijd die door, duw de delen tegen elkaar en enkele minuten later kan de vinger weer als één geheel bewegen. Na zeven dagen is de trekcurve precies dezelfde als bij het originele materiaal: het polymeer is volledig hersteld en weer even sterk als voorheen.  

“Dankzij carbon black kunnen robots ook voelen” 

Inmiddels hebben de onderzoekers nog een stap verder gezet op het vlak van robotpolymeren. Door carbon black aan het robotrubber toe te voegen, hebben ze het materiaal sensorisch gemaakt en dus leren ‘voelen’.  

Guy Van Assche: “Carbon black is een zwart poeder dat bijna volledig uit koolstof bestaat – het wordt onder andere in autobanden gebruikt om het rubber sterker te maken. Wij maken gebruik van een andere eigenschap: onze composieten van zachte polymeren en carbon black zijn elektrisch geleidend. Wanneer het materiaal tijdens het bewegen uitgerekt of vervormd wordt, verandert de elektrische weerstand. Dat kan je eenvoudig meten met een multimeter aan de uiteinden van de composietstrip. Die strip kan je inbouwen in de vinger van een robot: als de vinger buigt, rekt de polymeerstrip mee en verandert de elektrische weerstand in het materiaal. De meter leest die waarde uit en zo voelt de robot precies hoe ver zijn vinger gebogen is.”  

Ook schade aan de sensor kan de robot op deze manier voelen. Dankzij het gebruik van de zelfherstellende polymeren herstellen ook deze sensoren zichzelf wanneer ze beschadigd worden. Het volgende doel waar Valence Technologies zich op gegooid heeft: zelfherstellende banden. Van een gat in de markt gesproken…