Le travi ispirate all’osso potrebbero portare a strutture stampate in 3D più durature
Un team di ricercatori della Purdue University, della Cornell University e della Case Western Reserve University si sta ispirando alle ossa per realizzare strutture stampate in 3D più resistenti e più resistenti per edifici, aerei e altro ancora. I ricercatori hanno ricreato una struttura del fascio specifica trovata all’interno dell’osso naturale che fornisce forza e resistenza all’usura per tutta la vita usando le tecnologie 3D.
Nella costruzione, le travi sono utilizzate per supportare strutture dall’interno, fornendo capacità di sopportare carichi di lunga durata. Si scopre che le nostre ossa funzionano in modo simile. Creando strutture di travi ispirate all’osso utilizzando la stampa 3D, il team di ricerca ritiene di poter produrre materiali stampati 3D leggeri che potrebbero avere applicazioni in edifici, aerei e altre strutture.
“Bone è un edificio. Ha queste colonne che trasportano la maggior parte del carico e delle travi che collegano le colonne “, ha detto Pablo Zavattieri, professore alla scuola di ingegneria civile di Purdue. “Possiamo imparare da questi materiali per creare materiali stampati 3D più robusti per edifici e altre strutture.”
L’osso naturale deve la maggior parte della sua forza e durata a una struttura porosa nota come trabecole, che è costituita da montanti verticali simili a piastre verticali e montanti orizzontali a forma di bastoncino, che funzionano in modo simile a colonne e travi. Le ossa con trabecole a maggiore densità sono più forti e più resistenti, mentre le ossa meno dense (causate da invecchiamento o malattia) diventano più fragili.
Nel loro studio , i ricercatori hanno scoperto che i montanti orizzontali nell’osso erano principalmente responsabili della resistenza alla fatica, mentre i montanti verticali erano più legati alla rigidità e alla forza. Questa comprensione varia dalle convinzioni comuni sulle trabeluae.
“Quando le persone invecchiano, perdono per prime questi puntoni orizzontali, aumentando la probabilità che l’osso si rompa da più carichi ciclici”, ha spiegato Christopher Hernandez, professore di ingegneria meccanica, aerospaziale e biomedica.
La ricerca non è rilevante solo per la nostra comprensione del corpo, in quanto potrebbe essere applicata all’industria delle costruzioni. Mentre la stampa 3D nelle costruzioni continua a progredire gradualmente, le strutture interne stampate in 3D potrebbero svolgere un ruolo importante nella produzione di case forti e resistenti.
Integrando una struttura architettonica ispirata all’osso nel cemento man mano che viene stampato, è possibile ottimizzare le caratteristiche costruttive come le pareti.
Per testare la teoria dei montanti orizzontali di trabeluae, il laboratorio di Zavattieri ha progettato strutture polimeriche stampate in 3D con geometrie ispirate alle trabecole. Le simulazioni di queste strutture hanno dimostrato quanto cruciali fossero i raggi orizzontali nella resistenza alla fatica.
Adotta Trikanad, coautore di questo lavoro e dottorato di ricerca in ingegneria civile. studente di Purdue, ha dichiarato: “Quando abbiamo eseguito simulazioni della microstruttura ossea sotto carico ciclico, siamo stati in grado di vedere che i ceppi si sarebbero concentrati in questi montanti orizzontali e aumentando lo spessore di questi montanti orizzontali, siamo stati in grado di mitigare alcuni dei ceppi osservati. “
Sono stati quindi condotti test fisici sulle strutture polimeriche stampate in 3D, che hanno rafforzato i risultati della simulazione. Inoltre, i ricercatori hanno determinato che più spessi sono i montanti orizzontali, più a lungo durano i campioni di polimero, il tutto senza aggiungere una massa sostanziale. Secondo quanto riferito, un raggio aumentato di circa il 30% ha prodotto un materiale che potrebbe durare 100 volte di più.
“Quando qualcosa è leggero, possiamo usarne meno”, ha spiegato Zavattieri. “Creare un materiale più resistente senza renderlo più pesante significherebbe che le strutture stampate in 3D potrebbero essere costruite sul posto e quindi trasportate. Queste intuizioni sull’osso umano potrebbero essere un fattore abilitante per portare più materiali architettonici nel settore delle costruzioni. “
