Pluoštu armuoti polimeriniai kompozitai (FRP), pavyzdžiui, stiklo ar anglies pluošto medžiagos polimerinėje matricoje, šiandien laikomi vienomis svarbiausių konstrukcinių medžiagų ten, kur itin reikšmingas tvirtumo ir masės santykis. Lėktuvų sparnai, vėjo turbinų mentės, automobilių dalys, laivų korpusai ar pramoninės konstrukcijos – daugelyje sričių pasirenkami laminatai, nes jie gali būti ir labai standūs, ir kartu itin lengvi.
Vis dėlto didžiausias FRP privalumas kartu yra ir rimtas iššūkis. Tai sluoksninės medžiagos, sudarytos iš daugybės pluošto bei dervos sluoksnių. Skirtingai nei metalai, kurie dažnai apie nuovargį „įspėja“ palaipsniais deformacijos požymiais, kompozitas gali atrodyti visiškai tvarkingas, nors jo viduje jau formuojasi mikropažeidimų tinklas.
Vienas pavojingiausių reiškinių – delaminacija, t. y. sluoksnių atsiskyrimas vienas nuo kito arba nuo matricos. Tokiu atveju konstrukcija gali staiga prarasti laikomąją gebą net ir be akivaizdaus lūžio. Tai reiškia, kad pažeidimas ilgą laiką gali likti nepastebėtas, kol galiausiai pasireiškia rimtos pasekmės.
Ši problema FRP kompozitus lydi jau dešimtmečius. Tokių elementų projektinis tarnavimo laikas dažnai skaičiuojamas dešimtmečiais, o praktikoje tai reiškia reguliarias apžiūras, remontus ir keitimus. Dėl to didėja išlaidos ir sudėtingėja infrastruktūros priežiūra, nors pati kompozitų idėja iš esmės turėjo ją supaprastinti.
Šiaurės Karolinos valstijos universiteto (NC State) mokslininkai pasiūlė sprendimą, galintį pakeisti požiūrį į kompozitų ilgaamžiškumą. Jų kuriama sistema siekia ne tik „užgydyti“ paviršinius įbrėžimus, bet ir spręsti realią konstrukcinę problemą – vidinę laminato delaminaciją. Tai jau ne kosmetinis efektas, o inžinerinis sprendimas.
Sistemos esmė – dviguba funkcija. Pirma, laminatas iš anksto sustiprinamas, padidinant jo atsparumą delaminacijai. Antra, sudaroma galimybė pakartotinai atkurti mechanines savybes po pažeidimo, naudojant kontroliuojamą kaitinimą. Taip atsiranda galimybė konstrukciją periodiškai „regeneruoti“, o ne iškart ją keisti.
Vienas pagrindinių technologijos elementų – 3D spausdinama termoplastinė tarpsluoksnio plėvelė. Ji tiksliai užnešama ant armuojančių pluoštų ir veikia kaip kontroliuojamas tarpinis sluoksnis tarp laminato sluoksnių. Toks sprendimas apsunkina delaminacijos pradžią ir jos plitimą.
Vien plėvelės integravimas atsparumą delaminacijai padidina maždaug 2–4 kartus, palyginti su įprastais laminatais. Vadinasi, medžiaga tampa atsparesnė jau nuo pat pradžių, o savęs „gydymas“ tampa papildoma funkcija, o ne vieninteliu saugumo mechanizmu. 3D spausdinimas šiuo atveju leidžia tiksliai įterpti papildomą funkciją į sluoksninę struktūrą neperkonstruojant viso gamybos proceso.
Antras svarbus elementas – į kompozitą integruoti ploni anglies pagrindo kaitinimo sluoksniai. Per juos leidžiama elektros srovė sukuria šilumą, kuri suminkština arba ištirpdo termoplastinę medžiagą. Ši tuomet užpildo plyšius ir mikropažeidimus, sujungdama atsiskyrusius sluoksnius.
Didelis tokio sprendimo privalumas – galimybė remontą atlikti „pagal poreikį“. Nereikia šildyti visos konstrukcijos ar jos ardyti tam, kad būtų pasiekta pažeista vieta. Regeneracija gali tapti įprasta techninės priežiūros procedūra, atliekama tik tada ir tik ten, kur jos iš tiesų reikia.
Kalbant apie ilgaamžiškumą, mokslininkų pateikiami skaičiai skamba įspūdingai. Teoriniai modeliai rodo, kad regeneraciją atliekant kartą per metus konstrukcijos tarnavimo laikas galėtų siekti apie 500 metų. Jei procedūra vykdoma dažniau, pavyzdžiui, kartą per ketvirtį, modelinis tarnavimo laikas būtų apie 125 metus.
Žinoma, tai nereiškia, kad medžiaga tampa „nemirtinga“. Su kiekvienu ciklu savybės šiek tiek prastėja, o realiomis sąlygomis veikia daugybė papildomų veiksnių. Vis dėlto pats eksploatacijos modelis keičiasi iš esmės: vietoj neišvengiamo ir negrįžtamo senėjimo atsiranda planuojama regeneracija.
Didžiausia tokios technologijos nauda atsiskleistų ten, kur kompozitiniai elementai yra dideli, brangūs ir sunkiai pasiekiami. Vėjo turbinų mentės, orlaivių konstrukcijos ar kosmoso aparatai – sritys, kuriose kiekviena prastova ar keitimas kainuoja itin brangiai. Galimybė atkurti savybes vietoje galėtų reikšmingai sumažinti eksploatacines išlaidas.
Kosmoso sektoriuje tai ypač aktualu, nes remontas dažnai būna neįmanomas. Jei konstrukcijos galėtų atsistatyti po mikrometeoritų smūgių ar temperatūrinių ciklų, būtų galima kurti ilgaamžiškesnes sistemas be perteklinio svorio. Tokia kryptis turi ir ekologinę reikšmę: ilgiau tarnaujantys elementai reiškia mažiau atliekų, mažesnę gamybos apimtį ir taupesnį išteklių naudojimą.
Ši technologija rodo, kad kompozitai gali pereiti iš „vienkartinio našumo“ medžiagų kategorijos į aktyvias, prisitaikančias sistemas. Jei tyrimų rezultatai sėkmingai bus perkelti į pramoninę praktiką, ateities konstrukcijos galės ne tik atlaikyti apkrovas, bet ir iš dalies atsistatyti po jų. Tai gali iš esmės pakeisti ilgalaikio konstrukcijų patikimumo sampratą.
