Структуры креветок-богомолов обеспечивают невероятную прочность благодаря технологии 3D-печати

Oct 09, 2023

Команда международных исследователей обратилась к матери-природе, пытаясь создать 3D-печать керамических композитных материалов с биологическими характеристиками прочности.

Керамические композиты с устойчивыми к повреждениям свойствами пользуются большим спросом, поскольку прочность является ключевым требованием в самых разных отраслях промышленности. Эти материалы также имеют тенденцию сочетать химическую и механическую стабильность, что позволяет использовать их во всем: от автомобильной и аэрокосмической промышленности до энергетических систем.

К сожалению, многие из сегодняшних традиционных методов обработки керамических композитов, таких как создание ледяных шаблонов или замораживание, не позволяют создавать детали со сложной и индивидуальной геометрией из-за ограничений в изготовлении пресс-форм.

В настоящее время международная команда изучает, как защитные структуры, обнаруженные у креветок-богомолов, можно использовать в сочетании с 3D-печатью с цифровой обработкой света (DLP) для создания геометрически сложных керамических композитных компонентов.

Что такого особенного в креветках-богомолах?

Креветки-богомолы, также известные как стоматоподы, представляют собой разновидность небольших разноцветных морских ракообразных. Они хорошо известны своим агрессивным характером и характерным кулакоподобным придатком, называемым дактильной дубинкой.

Встроенное оружие используется для разбивания и уничтожения добычи с твердым панцирем, такой как крабы и улитки, двигаясь с невероятной силой, чтобы пробить даже самую защитную оболочку. Фактически, считается, что дактильные булавы могут достигать ускорения до 10 000 g, в результате чего удары достигают скорости пули 22 калибра.

Но что делает их такими долговечными? Булавы Dactyl имеют двухнепрерывную структуру, которая помогает им поглощать удары и фильтровать разрушительные сдвиговые волны, не потея. Органическая фаза состоит из хитина, соединения, обычно встречающегося в панцирях насекомых и ракообразных, а неорганическая фаза состоит из аморфного фосфата кальция и карбоната кальция.

Вместе структура двойной проблемы образует устойчивый к растрескиванию защитный эффект, который защищает клюшку, к большому разочарованию добычи креветки-богомола.

Улучшение твердости в 116 раз.

В настоящем исследовании исследовательская группа отдала дань уважения работам естественного отбора и 3D-печати сложных керамических композитных структур с двухнепрерывными фазами циркония и эпоксидной смолы.

Чтобы проверить, насколько прочными являются биомиметические напечатанные структуры, они применили эту концепцию к восстановительной стоматологии, напечатав на 3D-принтере серию мостовидных протезов с 75% об. цирконий. Толщина ступенчатых керамических стенок мостов линейно увеличивалась с 0,3 мм до 0,7 мм, демонстрируя ступенчатое распределение напряжений, которое равномерно распределяло любые сжимающие напряжения на деталях.

В серии испытаний на сжатие команда обнаружила, что прочность печатных керамических композитов увеличилась на 213% по сравнению с чистой керамикой. Модуль Юнга в печатных частях увеличился лишь незначительно. Удивительно, но твердость напечатанных структур также увеличилась в 116 раз, что позволило получить уникальную геометрию, которую было бы невозможно изготовить с использованием традиционных технологий.

В конечном счете, исследование показывает большие перспективы, когда дело доходит до биоимитирования двунепрерывной архитектуры креветок-богомолов. Керамические композиты, напечатанные на 3D-принтере, продемонстрировали превосходные характеристики прочности и прочности на сжатие, что особенно полезно при индивидуальной реставрации зубов.

Более подробную информацию об исследовании можно найти в статье под названием «3D-печать керамического композита с биомиметической конструкцией упрочнения».

Это, конечно, не первое исследование аддитивного производства, сосредоточенное на биомимикрии. Совсем недавно группа исследователей из США использовала технологию 3D-печати для создания клейких присосок, напоминающих осьминогов. Команда, возглавляемая Технологическим институтом Вирджинии, разработала собственную нервную систему, вдохновленную природой, способную обнаруживать объекты и автоматически включать адгезию за считанные миллисекунды. Клейкая оболочка была интегрирована в носимую перчатку, что обеспечило новый способ манипулирования объектами в подводной среде.