Langer leve de apparatuur! 3D-geprinte nabootsing van bot-peesverbindingen gaat minder snel kapot

Elektronische apparaten gaan vaak kapot op de plek waar harde en zachte materialen samenkomen. Met een uniek 3D-printproces hebben onderzoekers van de TU Delft hybride verbindingen van meerdere materialen gemaakt die opmerkelijk dicht bij het natuurlijke ontwerp van bot-peesverbindingen komen.

De onderzoeksresultaten verschenen in Nature Communications.

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.

Geleidelijke verandering

Wanneer er een mismatch is tussen twee met elkaar verbonden materialen, resulteert dit in een spanningsconcentratie, zegt Amir Zadpoor, hoogleraar Biomaterialen en Weefselbiomechanica. Dat betekent dat de mechanische spanning naar het verbindingspunt gaat en meestal resulteert in het breken van het zachtere materiaal.

Een van de dingen die je in de natuur ziet is een geleidelijke verandering in eigenschappen. “Een hard materiaal wordt niet plotseling een zacht materiaal. “Het verandert geleidelijk en dat vlakt de spanningsconcentratie af.” Met dat 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.

Een andere overweging is dat de kracht die een zacht materiaal kan verdragen voordat het bezwijkt, lager is dan die van een hard materiaal. “Het is alleen relevant om de overgang even sterk te maken als het zachte materiaal, want als hij sterker is, zal het zachte materiaal bezwijken”, zegt eerste auteur Mauricio Cruz Saldivar.

Ontwerprichtlijnen

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.

Een heel product in één keer

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. “Wij proberen de extra stappen weg te nemen die hierbij komen kijken en alles in één keer maken”, aldus universitair docent Zjenja Doubrovski. “Dat maakt het voor ons mogelijk om nog exotischere en van elkaar verschillende materialen te combineren, bijvoorbeeld materialen die meer dempingsweerstand hebben versus materialen die heel krachtig zijn.”

Toekomstige toepassingen

De technologie is breed inzetbaar. Potentiële toepassingen zijn onder andere 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.

“Uiteindelijk willen we bot en de verbinding tussen bot en spieren regenereren”, zegt universitair docent Mohammad Mirzaali. “Dat zou betekenen dat we levende cellen moeten integreren in deze verbinding, wat de complexiteit van de constructie verhoogt.”