Dorine Schenk
Door naar de interne structuur van botten te kijken, hebben Amerikaanse onderzoekers een manier gevonden om sterkere 3D-geprinte structuren te maken. Zo wordt het mogelijk om bijvoorbeeld 3D-geprinte gebouwen sterker te maken, zonder dat ze veel zwaarder worden. Onderzoekers van de Cornell University, Purdue University en Case Western Reserve University publiceerden hierover in PNAS.
De structuur van botten heeft wel wat weg van dat van een gebouw. Het gewicht dat je skelet moet torsen wordt gedragen door microstructuur van balken en stutten, zogeheten trabekels. Hoe dichter het netwerk van deze verticale en horizontale stutten, hoe robuuster het bot. De verticale pilaren zijn belangrijk voor de sterkte en stijfheid van de botten. En juist die horizontale stutten, die minder belangrijk lijken, blijken ervoor te zorgen dat de botten op de lange termijn niet bezwijken.
‘Als mensen ouder worden, verliezen ze die horizontale stutten als eerst’, zegt Christopher Hernandez van Cornell University in een persbericht. ‘Dat vergroot de kans dat het bot breek door herhaaldelijke belasting.’
Voor 3D-geprinte gebouwen is het, net al bij botten, belangrijke dat ze langdurige belasting zoals trillingen of zelfs aardbevingen aankunnen. Daarom vinden de onderzoekers dat we van de microstructuur van botten kunnen leren bij het ontwerpen van robuuste 3D-geprinte materialen voor onder andere gebouwen.
De onderzoekers simuleerden hoe de microstructuur van bot reageerde als het herhaaldelijk belast werd. ‘We zagen dat de spanning zich concentreerde in de horizontale stutten’, zegt Adwait Trikanad, promovendus bij Purdue University. ‘Door deze stutten dikker te maken, konden we de waargenomen spanning verminderen.’
Om dit te testten ontwierpen ze 3D-geprinte polymeren met een interne structuur die vergelijkbaar is met de trabekels in bot. Daarmee toonden ze aan dat het verdikken van de horizontale stutten voor een robuuster materiaal zorgt terwijl het gewicht van de polymeren structuur nauwelijks toeneemt.
Uit de simulaties en tests bleek dat 3D-geprintte polymeren met 30 % dikkere horizontale stutten het tot 100 keer langer volhielden tijdens belasting.
Volgens de onderzoekers kan dit ontwerp gebruikt worden voor de interne structuur van 3D-geprint cement. Als dat sterk maar licht is, kan het de ene plek geprint kan worden en vervolgens gemakkelijk naar de bestemming worden vervoerd.
