Mantis-Garnelenstrukturen bieten dank der 3D-Drucktechnologie eine unglaubliche Robustheit

Oct 09, 2023

Ein Team internationaler Forscher hat sich an Mutter Natur gewandt, um keramische Verbundmaterialien mit bioinspirierten Zähigkeitseigenschaften in 3D zu drucken.

Keramische Verbundwerkstoffe mit beschädigungsresistenten Eigenschaften sind sehr gefragt, da Zähigkeit eine Schlüsselanforderung in einer Vielzahl industrieller Anwendungen ist. Diese Materialien bieten in der Regel auch Kombinationen aus chemischer und mechanischer Stabilität, wodurch sie für den Einsatz in allen Bereichen geeignet sind, von der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie bis hin zu Energiesystemen.

Leider sind viele der heutigen herkömmlichen Verarbeitungstechniken für Keramikverbundwerkstoffe, wie z. B. Eisschablonieren oder Gefriergießen, aufgrund von Einschränkungen bei der Formenherstellung nicht in der Lage, Teile mit komplexen und kundenspezifischen Geometrien herzustellen.

Das internationale Team untersucht nun, wie die Schutzstrukturen von Fangschreckenkrebsen in Verbindung mit dem 3D-Druck mit digitaler Lichtverarbeitung (DLP) genutzt werden können, um geometrisch komplexe Keramikverbundbauteile herzustellen.

Was ist das Besondere an der Fangschreckenkrebse?

Fangschreckenkrebse, auch Stomatopoden genannt, sind eine Art kleiner, mehrfarbiger Meereskrebse. Sie sind bekannt für ihre aggressive Natur und ihr charakteristisches faustartiges Fortsatz namens Daktylenkeule.

Die eingebaute Waffe wird zum Zerschlagen und Töten hartschaliger Beutetiere wie Krabben und Schnecken verwendet und bewegt sich mit unglaublicher Kraft, um selbst die schützendsten Panzer zu durchbrechen. Tatsächlich geht man davon aus, dass Daktylenkeulen Beschleunigungen von bis zu 10.000 g erreichen können, was zu Einschlägen führt, die der Geschwindigkeit eines Geschosses vom Kaliber .22 entsprechen.

Aber was macht sie so langlebig? Dactyl-Schläger verfügen über eine bikontinuierliche Struktur, die ihnen hilft, Stöße zu absorbieren und schädliche Scherwellen herauszufiltern, ohne ins Schwitzen zu geraten. Die organische Phase besteht aus Chitin, einer Verbindung, die häufig in Insekten- und Krebstierschalen vorkommt, während die anorganische Phase aus amorphem Calciumphosphat und Calciumcarbonat besteht.

Zusammen bildet die Double-Trouble-Struktur einen rissfesten Abschirmeffekt, der die Keule schützt, sehr zum Leidwesen der Beute der Fangschreckenkrebse.

Härteverbesserungen um das 116-fache

In der vorliegenden Studie würdigte das Forschungsteam die Arbeiten der natürlichen Selektion und 3D-gedruckte komplexe Keramikverbundstrukturen mit bikontinuierlichen Zirkonoxid/Epoxid-Phasen.

Um zu testen, wie robust die biomimetisch gedruckten Strukturen waren, wandten sie das Konzept auf die restaurative Zahnheilkunde an und druckten eine Reihe von Zwischenbrücken mit 75 % Vol. in 3D. Zirkonoxid. Die abgestuften Keramikwände der Brücken nahmen linear in der Dicke von 0,3 mm auf 0,7 mm zu und zeigten abgestufte Spannungsverteilungen, die jegliche Druckspannungen auf die Teile gleichmäßig verteilten.

In einer Reihe von Drucktests stellte das Team fest, dass die Festigkeit ihrer gedruckten Keramikverbundstoffe im Vergleich zu reiner Keramik um bis zu 213 % zunahm. Der Elastizitätsmodul stieg in den gedruckten Teilen nur geringfügig an. Erstaunlicherweise erhöhte sich auch die Härte der gedruckten Strukturen um das bis zu 116-fache und ermöglichte gleichzeitig einzigartige Geometrien, die mit herkömmlichen Techniken nicht herzustellen gewesen wären.

Letztendlich ist die Studie vielversprechend, wenn es um die Bionachahmung der bikontinuierlichen Architektur von Fangschreckenkrebsen geht. Die 3D-gedruckten Keramikkomposite wiesen hervorragende Zähigkeits- und Druckfestigkeitseigenschaften auf, die besonders für individuelle Zahnrestaurationsanwendungen nützlich sind.

Weitere Einzelheiten der Studie finden Sie in der Veröffentlichung mit dem Titel „3D-Druck von Keramikverbundwerkstoffen mit biomimetischem Zähigkeitsdesign“.

Dies ist sicherlich nicht die erste Forschungsarbeit zur additiven Fertigung, die sich auf Biomimikry konzentriert. Erst kürzlich hat ein Forscherteam aus den USA mithilfe der 3D-Drucktechnologie selbstklebende Saugnäpfe im Oktopus-Stil hergestellt. Das von Virginia Tech geleitete Team entwickelte ein eigenes, von der Natur inspiriertes Nervensystem, das in der Lage ist, Objekte zu erkennen und innerhalb von Millisekunden automatisch die Adhäsion einzuschalten. Die Klebehaut wurde in einen tragbaren Handschuh integriert und bietet eine neuartige Möglichkeit, Objekte in einer Unterwasserumgebung zu manipulieren.

An anderer Stelle druckten Forscher der ETH Zürich künstlich gefärbte Nanostrukturen in 3D und ließen sich dabei von den Flügeln eines Schmetterlings inspirieren. Die im tropischen Afrika heimischen Flügel der Cynandra opis-Art zeichnen sich durch ihre leuchtenden Farben aus. Diese Farben basieren jedoch nicht auf Pigmenten, sondern sind strukturell, das heißt, sie werden durch komplizierte Nanostrukturen auf der Oberfläche der Flügel erzeugt.

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Das Bild zeigt die Fangschreckenkrebse. Foto über Roy L. Caldwell, University of California, Berkeley.

Kubi Sertoglu hat einen Abschluss in Maschinenbau und verbindet eine Affinität zum Schreiben mit einem technischen Hintergrund, um die neuesten Nachrichten und Rezensionen zur additiven Fertigung zu liefern.