Harde en zachte materialen met elkaar verbinden, is een hele klus. Neem als voorbeeld een oplader waarvan de flexibele kabel overgaat op de harde adapter. We hebben vast allemaal wel eens meegemaakt dat juist die verbinding als eerste kapotgaat. Onderzoekers van de TU Delft zijn erin geslaagd om met een uniek 3D-printproces de hybride verbindingen van meerdere materialen te maken die opmerkelijk dicht bij het ontwerp van natuurlijke bot-peesverbindingen komen.
De onderzoeksresultaten, verschenen in Nature Communications, hebben talloze potentiële toepassingen. Ondanks het grote verschil in hardheid tussen botten en pezen, gaat deze verbinding in het menselijk lichaam nooit kapot. Het is deze bot-peesverbinding die het team van onderzoekers van de faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Technische Materiaalswetenschappen (3mE) inspireerde om de hard-zacht-overgang van door de mens gemaakte materialen te optimaliseren.
Ook op het gebied van de spieren zelf wordt een 3D-proces gebruikt. Bij het Terasaki Institute in Los Angeles zijn onderzoekers onlangs erin geslaagd om een nieuwe methode te ontwikkelen waarmee 3D-geprinte spierconstructies met een betere uitlijning en rijping van de spiercellen kunnen worden gecreëerd.
Spanningsconcentratie
Hoogleraar Biomaterialen en Weefselbiomechanica, Amir Zadpoor legt uit: “Wanneer er een mismatch is tussen twee met elkaar verbonden materialen, resulteert dit in een spanningsconcentratie. Dat betekent dat de mechanische spanning naar het verbindingspunt gaat en meestal resulteert in het breken van het zachtere materiaal.” In de natuur zie je in dat soort gevallen geleidelijke veranderingen in de materiaaleigenschappen optreden. "Hard materiaal wordt niet plotseling zacht materiaal", zegt Zadpoor. "Het verandert geleidelijk en dat vlakt de spanningsconcentratie af."
Met dat principe in gedachten gebruikten de onderzoekers verschillende configuraties en een multi-materiaal 3D-printtechniek om het contactoppervlak tussen harde en zachte materialen te vergroten en zo het ontwerp uit de natuur na te bootsen.
Aanpassen aan zacht materiaal
Ook is de kracht die zacht materiaal kan verdragen voordat het bezwijkt lager dan die van hard materiaal. Daarom is het alleen relevant om de overgang even sterk te maken als het zachte materiaal. “Wanneer de overgang sterker is dan zal het zachte materiaal bezwijken”, licht de eerste auteur van het manuscript, dr. Mauricio Cruz Saldivar, toe.
De onderzoekers waren in staat om de taaiheidswaarden van verbindingen met 50% te verhogen in vergelijking met een controlegroep. Het benaderen van de grens van wat theoretisch mogelijk is, is volgens het team een van de belangrijkste bijdragen van dit onderzoek. Maar het onderzoek leidde ook tot ontwerprichtlijnen voor het verbeteren van de mechanische prestaties van zacht-harde verbindingen en deze principes zijn universeel toepasbaar.
Niet te lijmen
De techniek die door het team is ontwikkeld, maakt het ook mogelijk om een heel product in één keer te maken. Dit is belangrijk omdat producten bestaande uit meerdere materialen meestal met lijm aan elkaar worden bevestigd. Onderdelen worden bijvoorbeeld geassembleerd of mechanisch met elkaar verbonden, zoals in de auto- of luchtvaartindustrie.
Het team probeert die extra verbindingsstappen weg te nemen en alles in een geheel te maken. Daardoor is het mogelijk om nog exotischer en van elkaar verschillende materialen te combineren. Een voorbeeld hiervan is materialen die meer dempingsweerstand hcebben versus materialen die heel krachtig zijn. Deze combinaties leiden tot nog meer praktische toepassingen.
Niet alleen voor bot-peesverbinding
Deze nieuwgevonden technologie in Delft is breed inzetbaar. Potentiële toepassingen zijn onder meer medische hulpmiddelen, soft robotics en flexibele apparaten. Maar het team wil ook onderzoeken hoe ze verbindingen kunnen maken met levende cellen om zo bijvoorbeeld implantaten te verbinden met het omliggende zachte weefsel.
Op die manier hopen ze de verbinding tussen bot en spieren, de bot-peesverbinding dus, te regenereren. Dat zou betekenen dat er levende cellen moeten worden geïntegreerd in deze verbinding, wat de complexiteit van de constructie verhoogt. Kortom: het is duidelijk dat deze nieuwe resultaten de deur wijd openzetten voor een reeks toekomstige onderzoeken naar hard-zachte-verbindingen.
