De meeste mensen kunnen zich voorstellen dat een laptopoplader kapot gaat op de plek waar de flexibele kabel de solide adapter ontmoet. Dit is slechts één voorbeeld van hoe moeilijk het is om harde en zachte materialen effectief met elkaar te verbinden. Met behulp van een uniek 3D-printproces produceerden onderzoekers van de TU Delft hybride multi-materiaal interfaces die een opmerkelijke gelijkenis vertoonden met het natuurontwerp van bot-peesverbindingen. Hun onderzoeksresultaten, onlangs gepubliceerd in Nature Communications , hebben talloze potentiële toepassingen.

Ondanks het grote verschil in hardheid tussen botten en pezen falen hun kruispunten in het menselijk lichaam nooit. Het is deze bot-peesverbinding die een team van onderzoekers van de faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Materiaalkunde (3mE) inspireerde om manieren te onderzoeken om de harde en zachte grensvlakken van door de mens gemaakte materialen te optimaliseren.

Ontwerpinspiratie

Wanneer er een mismatch is tussen twee met elkaar verbonden materialen, resulteert dit in een spanningsconcentratie, legt Amir Zadpoor, hoogleraar biomaterialen en weefselbiomechanica, uit. Dat betekent dat de mechanische spanning naar het verbindingspunt gaat en meestal resulteert in het falen van het zachtere materiaal. Een van de dingen die je in de natuur ziet, is een geleidelijke verandering in eigenschappen op een grensvlak.

“Een hard materiaal wordt niet ineens een zacht materiaal”, zegt Zadpoor. "Het verandert geleidelijk, en dat verzacht de stressconcentratie." Met dat in gedachten gebruikten de onderzoekers verschillende geometrieën en een multi-materiaal 3D-printtechniek om het contactoppervlak tussen harde en zachte interfaces te vergroten, waardoor het ontwerp van de natuur werd nagebootst.

Een andere ontwerpoverweging is dat de kracht die een zacht materiaal kan verdragen voordat het bezwijkt, lager is dan die van een hard materiaal. "Het is alleen relevant om de interface zo sterk te maken als het zachte materiaal, want als het sterker is, zal het zachte materiaal hoe dan ook falen en dat is je theoretische limiet", zegt dr. Mauricio Cruz Saldivar, de eerste auteur van het manuscript.

De onderzoekers waren in staat de taaiheidswaarden van interfaces met 50% te verbeteren in vergelijking met een controlegroep. Het naderen van de grens van wat theoretisch mogelijk is, is volgens het team een ​​van de belangrijkste bijdragen van dit onderzoek. Maar de studie resulteerde ook in een reeks ontwerprichtlijnen voor het verbeteren van de mechanische prestaties van bio-geïnspireerde zacht-harde interfaces, principes die universeel toepasbaar zijn.