3D-geprint elastomeer combineert uitzonderlijke sterkte met hoge elasticiteit

Onderzoekers van de Zwitserse École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) hebben een 3D-printbaar elastomeer ontwikkeld dat een opmerkelijke combinatie van sterkte, taaiheid en elasticiteit biedt. De nieuwe materiaaltechnologie kan de weg vrijmaken voor duurzamere en beter presterende onderdelen voor onder meer zachte robotica, medische hulpmiddelen en industriële toepassingen.

In 2024 introduceerden onderzoekers van het Soft Materials Laboratory (SMaL) dubbelnetwerk-granulaire elastomeren (DNGE’s): rubberachtige materialen gemaakt van microscopische elastomeerdeeltjes verbonden door een zachter elastomeernetwerk. DNGE’s werden ontworpen als 3D-printinkt voor structuren met nauwkeurig afgestemde mechanische eigenschappen.

Het team heeft nu een vervolgstudie gepubliceerd in Science Advances, waaruit blijkt dat de architectuur ook zorgt voor een sterke weerstand tegen breuk en vermoeiing. Dit is een zeldzame combinatie, omdat elastomeren die bestand zijn tegen breuk doorgaans schade oplopen bij herhaalde mechanische belasting, terwijl elastomeren die bestand zijn tegen vermoeiing vaak breken bij overmatige rek of schokken.

“Aanvankelijk lag onze focus op het verbeteren van de verwerkbaarheid, maar toen we eenmaal de korrelstructuur hadden, ontdekten we dat deze materialen ook erg taai zijn”, zegt Esther Amstad, hoofd van het lab. “Toen realiseerden we ons dat een groot deel van deze taaiheid voortkomt uit herhaalde energieafvoermechanismen – het materiaal kan steeds opnieuw energie absorberen zonder onherstelbaar te breken.”

Amstad legt uit dat de DNGE’s dankzij hun interne structuur de gebruikelijke afweging tussen taaiheid en vermoeiingsweerstand kunnen overbruggen. “In wezen delen de twee verschillende netwerken – een van korrelige elastomeerdeeltjes en een van zacht elastomeer – de mechanische spanning met elkaar, waardoor het materiaal als geheel sterker wordt.”

Geavanceerde materialen

In experimenten lieten geoptimaliseerde DNGE’s breuktaaiheidswaarden zien die tot 15 keer hoger waren dan die van vergelijkbare elastomeren, en vermoeiingsweerstandswaarden die tot drie keer hoger waren.

Wanneer de materialen worden uitgerekt, herverdelen ze de mechanische spanning van de stijve microdeeltjes naar de zachtere gebieden ertussen. Daar kan de vervormingsenergie herhaaldelijk worden gedissipeerd door het verschuiven en herschikken van polymeerketens, in plaats van door het onomkeerbaar breken van polymeerbindingen, waardoor permanente schade wordt beperkt.

Anders scheuren

De granulaire structuur van de DNGE’s verandert ook de manier waarop scheuren zich erdoorheen bewegen. In plaats van een rechte lijn te volgen, bewegen scheuren zich bij voorkeur door de zachtere gebieden tussen de elastomeer-microdeeltjes, waardoor een kronkelend pad ontstaat dat hun groei vertraagt ​​en falen uitstelt.

De bevindingen suggereren dat de materiaalarchitectuur een strategie kan bieden voor het ontwerpen van duurzamere zachte materialen. Die zouden de levensduur van zachte robots, elektronica en biomedische apparaten kunnen verlengen, waar componenten gedurende lange perioden aan herhaalde spanningen en vervormingen worden blootgesteld.

Het team werkt al aan verdere optimalisatie van hun materiaal voor duurzaamheid, bijvoorbeeld door gebruik te maken van biologisch afbreekbare elastomeren en elastomeren gemaakt van gerecyclede materialen.

“Ons doel is om duurzamere materialen te implementeren zonder concessies te doen aan de mechanische eigenschappen”, zegt Amstad. “Door het scala aan materialen dat we kunnen gebruiken te vergroten, kunnen we niet alleen de ecologische voetafdruk van de DNGE’s verkleinen, maar ze ook toegankelijker maken voor elk laboratorium met een commerciële 3D-printer.”