Materialen 3D-printen met de mechanische eigenschappen en ontwerpvrijheid van biologische materie

Materialen gemaakt door levende organismen hebben opmerkelijke mechanische eigenschappen. Hout kan bijvoorbeeld vooral stijfheid vertonen langs één richting, maar toch opmerkelijk goed bestand zijn tegen breuken, bijvoorbeeld bij de aanhechting van takken. Wetenschapper Caroline Houriet van de TU Delft heeft een manier gevonden om de complexe microstructuren die in de natuur voorkomen na te bootsen met behulp van 3D-printtechnieken. Dit opent nieuwe mogelijkheden voor het ontwerpen en fabriceren van lichtgewicht onderdelen met hoge mechanische prestaties die bovendien recyclebaar zijn. Het team presenteert hun nieuwe inzichten in Advanced Materials.

Complexe patronen die geïnspireerd zijn op de natuur kunnen de weg wijzen om lichtere en beter aanpasbare onderdelen te ontwerpen die precies op maat gemaakt zijn voor hun exacte verwachte gebruik. De ontwerper kan nu extra functies integreren om de levensduur te verlengen zonder de prestaties te verminderen, bijvoorbeeld door de taaiheid van het materiaal te verhogen op een plek waar risico op een breuk is, maar overal elders de voorkeur te geven aan treksterkte.
Caroline Houriet

Anisotropie, het hebben van verschillende eigenschappen in verschillende richtingen, is een belangrijk kenmerk van levende organismen: ze gebruiken het om structuren zo effectief mogelijk te laten groeien. Ondanks de vooruitgang in technische materialen is er nog steeds een groot verschil tussen wat daarmee bereikt kan worden en de ingewikkelde patronen die in biologische materie worden gevonden. Het doel van het team was om deze kloof te overbruggen door analytische stromingsleer te gebruiken om de banen te bepalen die de 3D-printer moet volgen. Met deze aanpak willen ze een nieuw, efficiënter en veelzijdig proces ontwikkelen voor het vormen van materialen. Deze methode gaat verder dan eenvoudige of licht gebogen lijnen en omvat ook wervelingen, spinnenweb (radiale) patronen, hyperbolen en verschillende combinaties daarvan. Door materialen in deze onconventionele configuraties te printen, kunnen wetenschappers ze observeren en benutten.

De in Advanced Materials gepresenteerde methode maakt gebruik van 3D-printen van ‘zelfassemblerende thermotrope vloeibare kristalpolymeren’ (LCP's). Wanneer het polymeer op een specifieke manier wordt uitgelijnd, namelijk nematisch, leidt dat tot anisotropie op de schaal van de printlijn. Door de druk te variëren waarmee de LCP’s door de spuitmond ‘geperst’ worden tot printlijnen (de extrusiedruk), kan de nematische oriëntatie van het polymeer worden beïnvloed. Zo kan een opmerkelijk breed bereik van uitrekken en vervormen verkregen worden, van 3 tot 40 GPa (Young's modulus).

Het team bepaalde ook een relatie tussen stijfheid, spuitmonddiameter en lijnbreedte, waardoor het mogelijk werd om materialen te ontwerpen die tegelijkertijd de gewenste vorm en het gewenste patroon hebben en de vereiste mechanische eigenschappen. Met behulp van dit algoritme kunnen lijnen worden geprint met verschillende breedtes en krommingen over de gehele vorm die wordt geprint. Deze productiemethode maakt het mogelijk om onderdelen te maken met verschillende niveaus van stijfheid en verschillende manieren waarop ze kunnen breken of vervormen, allemaal van hetzelfde type materiaal.

Deze benadering opent nieuwe ontwerpmogelijkheden voor lichtgewicht constructies, bijvoorbeeld om zwakke plekken te versterken en zo scheuren te voorkomen of om spanning te herverdelen. Uiteindelijk opent deze methode mogelijkheden voor het bestuderen en nabootsen van ingewikkelde patronen die in de natuur worden waargenomen, zodat ontwerpers de patronen kunnen integreren voor een esthetisch ontwerp of voor functionaliteit, bijvoorbeeld om een stoel te maken met stijve poten en een flexibele zitting, allemaal van hetzelfde materiaal.

De code die gebruikt is om de patronen te genereren, Slith3r, is open-source beschikbaar en verdere ontwikkelingen die hierop gebaseerd zijn, worden ten zeerste aangemoedigd.