Optimering af grænseflader mellem hårdt og blødt materiale:En 3D-printet efterligning af knogle-seneforbindelser

De fleste mennesker kan forholde sig til, at en bærbar oplader går i stykker lige der, hvor det fleksible kabel møder den solide adapter. Dette er blot et eksempel på, hvor svært det er effektivt at forbinde hårde og bløde materialer. Ved hjælp af en unik 3D-printproces producerede TU Delft-forskere hybride multi-materiale-grænseflader, der nåede en bemærkelsesværdig nærhed til naturens design af knogle-seneforbindelser. Deres forskningsresultater, for nylig offentliggjort i Nature Communications , har adskillige potentielle anvendelser.

På trods af den store forskel i hårdhed mellem knogler og sener, svigter deres krydsninger i den menneskelige krop aldrig. Det er denne knogle-seneforbindelse, der inspirerede et team af forskere fra fakultetet for Mekanisk, Maritim og Materialeteknik (3mE) til at udforske måder at optimere de hårde og bløde grænseflader mellem menneskeskabte materialer.

Designinspiration

Når der er et misforhold mellem to forbundne materialer, resulterer det i en stresskoncentration, forklarer Amir Zadpoor, professor i biomaterialer og vævsbiomekanik. Det betyder, at den mekaniske belastning går til forbindelsespunktet og normalt resulterer i svigt af det blødere materiale. En af de ting, der ses i naturen, er en gradvis ændring af egenskaber ved en grænseflade.

"Et hårdt materiale bliver ikke pludseligt til et blødt materiale," siger Zadpoor. "Det ændrer sig gradvist, og det udjævner stresskoncentrationen." Med det i tankerne brugte forskerne forskellige geometrier og en multimateriale 3D-printteknik til at øge kontaktområdet mellem hårde og bløde grænseflader og derved emulere naturens design.

En anden designovervejelse er, at den kraft, som et blødt materiale kan tolerere før fejl, er lavere end et hårdt materiale. "Det er kun relevant at gøre grænsefladen lige så stærk som det bløde materiale, for hvis det er stærkere, vil det bløde materiale fejle alligevel, og det er din teoretiske grænse," siger Dr. Mauricio Cruz Saldivar, manuskriptets første forfatter.

Forskerne var i stand til at øge sejhedsværdierne for grænseflader med 50 % sammenlignet med en kontrolgruppe. At nærme sig grænsen for, hvad der er teoretisk muligt, er ifølge holdet et af hovedbidragene fra denne forskning. Men undersøgelsen resulterede også i et sæt designretningslinjer til forbedring af den mekaniske ydeevne af bioinspirerede blød-hårde grænseflader, principper som er universelt anvendelige.