Ny 3D-printet cementpasta bliver stærkere, når den revner – ligesom strukturer i naturen

Hvad hvis de iboende svagheder ved et materiale faktisk gjorde huse og bygninger stærkere under skovbrande og jordskælv?

Purdue University-forskere har 3-D-printet cementpasta, en nøgleingrediens i beton og mørtel, der bruges til at bygge forskellige infrastrukturelementer, der bliver hårdere under pres som skallerne af leddyr som hummere og biller. Teknikken kan i sidste ende bidrage til mere modstandsdygtige strukturer under naturkatastrofer.

"Naturen er nødt til at håndtere svagheder for at overleve, så vi bruger de 'indbyggede' svagheder ved cementbaserede materialer til at øge deres sejhed, sagde Jan Olek, en professor ved Purdues Lyles School of Civil Engineering.

Ideen ville være at bruge design inspireret af leddyrskaller til at kontrollere, hvordan skader spredes mellem de trykte lag af et materiale, som at prøve at bryde en flok ukogte spaghetti nudler i modsætning til en enkelt nudel.

"De eksoskeleter af leddyr har revneudbredelse og hærdningsmekanismer, som vi kan reproducere i 3-D-printet cementpasta, " sagde Pablo Zavattieri, Purdue professor i civilingeniør.

3-D-printede cementbaserede materialer - såsom cementpasta, mørtel og beton - ville give ingeniører mere kontrol over design og ydeevne, men tekniske forhold har stået i vejen for at opskalere dem.

Purdues ingeniører er de første til at bruge 3-D-print til at skabe bioinspirerede strukturer ved hjælp af cementpasta, som vist i et offentliggjort papir og forsiden til et kommende trykt nummer af tidsskriftet Avancerede materialer .

"3D-print har fjernet behovet for at skabe en form for hver type design, så vi kan opnå disse unikke egenskaber ved cementbaserede materialer, som ikke var mulige før, " sagde Jeffrey Youngblood, Purdue professor i materialeteknik.

Holdet bruger også mikro-CT-scanninger til bedre at forstå adfærden af ​​hærdede 3-D-printede cementbaserede materialer og drage fordel af deres svage egenskaber, såsom poreområder fundet ved "grænsefladerne" mellem de trykte lag, som fremmer revnedannelse. Denne konklusion blev for nylig præsenteret på den 1. RILEM internationale konference om beton og digital fremstilling.

"3-D-print af cementbaserede materialer giver kontrol over deres struktur, hvilket kan føre til skabelsen af ​​mere skade og fejltolerante strukturelle elementer som bjælker eller søjler, " sagde Mohamadreza "Reza" Moini, en Purdue Ph.D. civilingeniørkandidat.

Holdet blev oprindeligt inspireret af mantis-rejen, som erobrer sit bytte med et "dactyl club" vedhæng, der bliver hårdere ved stød gennem snoede revner, der spreder energi og forhindrer køllen i at falde fra hinanden.

Nogle af de bioinspirerede cementpasta-elementer designet og fremstillet af teamet ved hjælp af 3-D-printteknikker inkluderer "honningkage, " "kompatible" og "Bouligand" designs, kaldet "arkitekturer".

Hver af disse arkitekturer gav mulighed for ny adfærd i et 3-D-printet element, når det først var hærdet. Bouligand-arkitekturen, for eksempel, udnytter svage grænseflader til at gøre et materiale mere revnebestandigt, der henviser til, at den kompatible arkitektur får cementbaserede elementer til at fungere som en fjeder, selvom de er lavet af skørt materiale.

Holdet planlægger at udforske andre måder, hvorpå cementbaserede elementer kan designes til at bygge mere modstandsdygtige strukturer.