Untersuchung der Struktur von Knochen, um die Festigkeit des 3D-Drucks zu erhöhen

Wissenschaftler an den Universitäten Cornell, Purdue und Case Western Reserve haben sich vom menschlichen Knochen inspirieren lassen, um haltbarere 3D-Druckstrukturen zu schaffen. Diese Entwicklung könnte der Bauindustrie helfen, Strukturen zu entwerfen, die schwere Lasten tragen können, so wie unsere Knochen über unsere gesamte Lebensdauer hinweg konstanten Belastungen standhalten, ohne zu brechen. Die Forscher haben daher den menschlichen Knochen, der aus verschiedenen Trabekel (sehr feine Fäden, die eine schwammartige, mit einem Balken vergleichbare Form bilden) besteht, nachgeahmt, um eine 3D-Struktur zu drucken. Sie stellten fest, dass durch die Erhöhung der Dicke der Trabekel eine 100-fache Lebensdauer des Materials erreicht werden kann. Die Teams haben ihre Ergebnisse schnell auf die Bauindustrie übertragen.

Additive Fertigung ist manchmal von der Natur, ihren Bewegungen und Reaktionen inspiriert: Letztendlich ist es mit der Biomimetik recht verwandt und kann bestimmte Funktionen von lebenden Organismen reproduzieren. Das wollten die Forscher, die am Anfang dieses Projekts standen, verstehen, indem sie die Verbindung zwischen der Struktur eines Knochens und der eines Gebäudes dank des 3D-Drucks begriffen haben. Es stellt sich heraus, dass sie beide aus horizontalen und vertikalen Gliedern bestehen, die sich gegenseitig kreuzen, ähnlich wie Säulen oder Abstandshalter. Pablo Zavattieri, Professor an der Purdue-Universität, erklärt: „Knochen sind wie ein Gebäude. Sie haben Stützen, die die meisten Lasten tragen und Träger, die diese Stützen verbinden. Wir können daraus lernen, um stärkere 3D-Druckmaterialien für Gebäude oder sogar andere Strukturen zu erstellen“. Deshalb haben die Forscher die Natur studiert, um ein stärkeres Material zu schaffen, ideal für die Bauindustrie. Dank des 3D-Drucks konnten sie ihre Ergebnisse leicht testen.

Quelle: Purdue University photo/Pablo Zavattieri

Die Forscher fanden heraus, dass das künstliche Material bis zu 100 Mal länger halten konnte, wenn sie den Balken, aus dem die Knochen bestehen, nachahmten und ihn etwa 30% dicker machten. Die Knochen erhalten ihre Haltbarkeit durch die Trabekel: je dichter sie sind, desto stärker wird der Knochen, was sich mit dem Alter des Menschen verändert. Dies gilt insbesondere bei vielen horizontalen Streben: Sie sind diejenigen, die die Festigkeit des Knochens erhöhen. Hernandez, Professor für Maschinenbau, Luft- und Raumfahrt und biomedizinische Technik an der Cornell Universität, fügt hinzu: „Mit zunehmendem Alter verlieren die Menschen zuerst diese Horizontalspange, wodurch die Wahrscheinlichkeit steigt, dass der Knochen unter mehrfacher zyklischer Belastung bricht.“

Hier wäre es interessant, dieses Wissen auf die Architektur anzuwenden, beispielsweise durch die Verstärkung von Gebäuden im Falle von Naturkatastrophen. Das Labor von Pablo Zavattieri testete seine Forschungsergebnisse durch den Druck von 3D-Polymeren in Form von trabekulatartigen Architekturen. Simulationen ergaben, dass die Lebensdauer des Polymers unter Belastung um so höher ist, je dicker die horizontalen Abstandhalter sind. Adwait Trikanad, Mitautor der Arbeit, sagt: „Als wir Simulationen der Knochenmikrostruktur unter zyklischer Belastung durchführten, konnten wir sehen, dass die Spannungen in diesen horizontalen Streben konzentriert waren, und durch die Erhöhung der Dicke der horizontalen Streben konnten wir einige der beobachteten Spannungen vermindern.“

Darüber hinaus hätte die Verdickung dieser horizontalen Abstandhalter keinen signifikanten Einfluss auf das Gewicht des Polymers gehabt, was darauf hindeutet, dass starke, aber leichte Materialien entworfen werden können. Pablo Zavattieri schlussfolgert: „Ein stärkeres Material zu schaffen, ohne es schwerer zu machen, würde bedeuten, dass vor Ort 3D-gedruckte Strukturen gebaut und dann transportiert werden könnten. Dieses Wissen über den menschlichen Knochen könnte ein Katalysator für die Einführung weiterer Materialien in die Bauindustrie sein“. Weitere Informationen finden Sie HIER.

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