Biologische materialen van bot tot spinzijde en hout zijn lichtgewicht vezelcomposieten gerangschikt in een complexe hiërarchische structuur, gevormd door gerichte zelfassemblage om uitstekende mechanische eigenschappen aan te tonen.

Wanneer dergelijke bio-geïnspireerde stijve en lichtgewicht materialen typisch worden ontwikkeld voor toepassingen in vliegtuigen, auto's en biomedische implantaten, hun fabricage vereist energie- en arbeidsintensieve fabricageprocessen. De vervaardigde materialen vertonen ook brosse breukkenmerken die moeilijk te vormen en te recyclen zijn, in schril contrast met de mechanische eigenschappen van de natuur. Bestaande op polymeer gebaseerde lichtgewicht constructiefabricage is beperkt tot 3D-printen, met slechte mechanische sterkte en oriëntatie, terwijl sterk georiënteerde stijve polymeren beperkt zijn tot het construeren van eenvoudige geometrieën. In een poging om de vrijheid van structurele vormgeving te combineren met moleculaire oriëntatie, 3D-printen van vloeibaar-kristalpolymeren werd recentelijk uitgebuit. Hoewel gewenste vormveranderende effecten werden bereikt, de Young's modulus van de zachte elastomeren was vanwege hun moleculaire structuur lager dan die van hoogwaardige vloeibare kristalsynthetische vezels.

Om de vormvrijheid van 3D-printen en gunstige mechanische eigenschappen van moleculair georiënteerde vloeibaar-kristalpolymeren (LCP) volledig te benutten, een team van wetenschappers van de afdeling Materialen, ETH Zürich, een nieuwe aanpak voorgesteld. De strategie volgde twee ontwerpprincipes die in de natuur worden gebruikt om taaie biologische materialen te vormen. aanvankelijk, anisotropie werd bereikt in het printproces via zelfassemblage van de LCP-inkt langs het printpad. Daarna, De complexe vormcapaciteit van het 3D-printproces werd benut om de lokale stijfheid en sterkte van de constructie aan te passen aan de belastingsomstandigheden van de omgeving. In de studie, Silvan Gantenbein en collega's demonstreerden een aanpak om 3D lichtgewicht, recyclebare structuren met hiërarchische architectuur en complexe geometrieën voor ongekende stijfheid en taaiheid. De resultaten zijn nu gepubliceerd in Natuur .

Kenmerken van het nieuwe materiaal kwamen voort uit de zelfassemblage van vloeibaar-kristalpolymeermoleculen in sterk georiënteerde domeinen - bereikt tijdens extrusie van het grondstofmateriaal. Het oriënteren van de moleculaire domeinen met het printpad versterkte de polymeerstructuur om te voldoen aan de verwachte mechanische spanningen. De resultaten leidden tot de ontwikkeling van materialen met sterkte en taaiheid die beter presteerden dan state-of-the-art 3D-geprinte polymeren, vergelijkbaar met de lichtgewicht composieten met de hoogste prestaties die tot nu toe zijn geconstrueerd. De studie toonde het vermogen aan om top-down 3D-printen te combineren met bottom-up moleculaire controle van de polymeeroriëntatie, het openen van de mogelijkheid om vrijelijk constructies te ontwerpen en te fabriceren die typische beperkingen van het bestaande fabricageproces omzeilden.

Door structuur, de stijve moleculaire segmenten van aromatische thermotrope polyesters zouden zichzelf kunnen assembleren tot nematische domeinen bij temperaturen hoger dan de smelttemperatuur van het materiaal. Polymeersmeltextrusie door het mondstuk van de 3D-printer gaf aanleiding tot afschuif- en extensiestroomvelden die de nematische domeinen in de richting van de stroom uitlijnden. Vervolgens vormde zich een temperatuurgradiënt tussen het koude oppervlak van de gloeidraad en het hete binnenste voor snelle afkoeling aan het oppervlak, waardoor stolling in de stroom-uitgelijnde opstelling. Polymeerketens die aanwezig zijn in het binnenste van het filament, ondervonden een langzamere afkoeling om zich te heroriënteren, aangedreven door thermische beweging. Als resultaat, de geëxtrudeerde filamenten hadden een kern-schaalstructuur waarin een sterk uitgelijnde huid een minder georiënteerde kern omsloot. De dikte van de huid was afhankelijk van de diameter van het filament en de bedrijfstemperatuur.

Het effect van de printparameters op de uiteindelijke core-shell-architectuur werd bepaald met behulp van een eenvoudig analytisch warmteoverdrachtsmodel. De auteurs gebruikten optische microscopie en röntgenverstrooiingsexperimenten om de sterk uitgelijnde huidstructuur te bevestigen. De core-shell filamenten vertoonden een significante mechanische sterkte en elasticiteitsmodulus, in tegenstelling tot eerdere studies die fused deposition modeling (FDM) gebruikten. De Young's modulus van het materiaal was gebaseerd op de productie van filamenten die dunner waren dan de diameter van de spuitmond voor een effectief verbeterde stijfheid en sterkte van de gedrukte materialen. Bijkomende factoren, waaronder de productietemperatuur, laag hoogte, moleculaire verknopingen en gloeitijd beïnvloedden de Young's modulus van de gedrukte materialen.

De wetenschappers observeerden meerdere spanningspieken voor spannings-rekmetingen tijdens materiaalkarakterisering die leken op verhardingsmechanismen van biologische materialen zoals bot. Dit werd toegeschreven aan het thermische behandelingsproces om verknopingen tussen de filamenten voor spanningsoverdracht te verbeteren; het voorkomen van delaminatie door middel van barstremmende mechanismen. Men dacht dat de hoge taaiheid van de gegloeide laminaten voortkwam uit hiërarchische verknoping van macromoleculen en filamenten.

De materiaalconstructie maakte zelfassemblage en hiërarchische macromoleculaire verknopingsstrategieën mogelijk via laag-voor-laag additieve fabricage om bio-geïnspireerde ontwerpprincipes te repliceren. Hoogwaardige laminaten met een hogere sterkte en Young's modulus zonder dempingsverlies werden bereikt door de vezeloriëntatie af te stemmen op de spanningslijnen in de mechanisch belaste structuur. Het resulterende product vertoonde eigenschappen die ongekend zijn in lichtgewicht materialen.

De bedrukte LCP's overtroffen bestaande materiaalsoorten, waaronder versterkte polymeren en continu met vezels bedrukte composieten, om de stijfheid en sterkte van koolstofvezelversterkte polymeren te evenaren. Bijkomende kenmerken van het proces waren onder meer recycleerbaarheid, geautomatiseerde productie en een lagere ecologische voetafdruk. De 3D-printtechnieken en de voorgestelde additieve technologie maakten de productie van toepassingsspecifieke complexe geometrieën mogelijk. De auteurs stellen zich voor dat het mogelijk zal zijn om ongeëvenaarde niveaus van hiërarchische structurele complexiteit voor lichtgewicht materialen te bereiken door op 3D-printen gebaseerde padcontrole te combineren, naast afstembare oriëntatie van zelf-geassembleerde bouwstenen in de inkt. De strategie opent de mogelijkheid om constructies te fabriceren die aan uiteenlopende eisen kunnen voldoen als duurzaam materiaal met een circulair leven.

© 2018 Fys.org