Wat als de inherente zwakheden van een materiaal huizen en gebouwen daadwerkelijk sterker maakten tijdens bosbranden en aardbevingen?

Purdue University-onderzoekers hebben 3D-geprinte cementpasta, een belangrijk ingrediënt van het beton en de mortel die worden gebruikt om verschillende infrastructuurelementen te bouwen, die taaier wordt onder druk zoals de schelpen van geleedpotigen zoals kreeften en kevers. De techniek zou uiteindelijk kunnen bijdragen aan veerkrachtiger structuren tijdens natuurrampen.

"De natuur heeft te maken met zwakheden om te overleven, dus gebruiken we de 'ingebouwde' zwakheden van op cement gebaseerde materialen om hun taaiheid te vergroten, " zei Jan Olek, een professor in Purdue's Lyles School of Civil Engineering.

Het idee zou zijn om ontwerpen te gebruiken die zijn geïnspireerd op geleedpotige schelpen om te bepalen hoe schade zich verspreidt tussen de gedrukte lagen van een materiaal, alsof je een stel ongekookte spaghettinoedels probeert te breken in plaats van een enkele noedel.

"De exoskeletten van geleedpotigen hebben scheurvoortplantings- en hardingsmechanismen die we kunnen reproduceren in 3D-geprinte cementpasta, " zei Pablo Zavattieri, Purdue hoogleraar civiele techniek.

3D-geprinte materialen op cementbasis, zoals cementpasta, mortel en beton—zou ingenieurs meer controle geven over ontwerp en prestaties, maar technische details hebben het opschalen ervan in de weg gestaan.

Purdue-ingenieurs zijn de eersten die 3D-printen gebruiken om bio-geïnspireerde structuren te creëren met behulp van cementpasta, zoals getoond in een gepubliceerde paper en de frontispice voor een aanstaande gedrukte uitgave van het tijdschrift Geavanceerde materialen .

"Met 3D-printen is het niet meer nodig om voor elk type ontwerp een mal te maken, zodat we deze unieke eigenschappen van op cement gebaseerde materialen kunnen bereiken die voorheen niet mogelijk waren, " zei Jeffrey Youngblood, Purdue hoogleraar materiaalkunde.

Het team gebruikt ook micro-CT-scans om het gedrag van geharde 3D-geprinte op cement gebaseerde materialen beter te begrijpen en te profiteren van hun zwakke eigenschappen, zoals poriegebieden gevonden op de "interfaces" tussen de afgedrukte lagen, die het kraken bevorderen. Deze bevinding werd onlangs gepresenteerd op de 1e RILEM International Conference on Concrete and Digital Fabrication.

"3D-printen van op cement gebaseerde materialen biedt controle over hun structuur, wat kan leiden tot het ontstaan ​​van meer schade en fouttolerante structurele elementen zoals balken of kolommen, " zei Mohamadreza "Reza" Moini, een Purdue Ph.D. kandidaat civiele techniek.

Het team werd aanvankelijk geïnspireerd door de bidsprinkhaangarnaal, die zijn prooi verovert met een "dactyl club" aanhangsel dat harder wordt bij impact door draaiende scheuren die energie afvoeren en voorkomen dat de club uit elkaar valt.

Enkele van de bio-geïnspireerde elementen van cementpasta die door het team zijn ontworpen en vervaardigd met behulp van 3D-printtechnieken, zijn de "honingraat, " "conforme" en "Bouligand" ontwerpen, 'architecturen' genoemd.

Elk van deze architecturen zorgde voor nieuw gedrag in een 3D-geprint element dat eenmaal was uitgehard. De Bouligand-architectuur, bijvoorbeeld, maakt gebruik van zwakke interfaces om een ​​materiaal scheurbestendiger te maken, overwegende dat de flexibele architectuur ervoor zorgt dat op cement gebaseerde elementen als een veer werken, ook al zijn ze gemaakt van bros materiaal.

Het team is van plan om andere manieren te onderzoeken waarop op cement gebaseerde elementen kunnen worden ontworpen voor het bouwen van meer veerkrachtige structuren.