Ученые обнаружили, что структуры человеческих костей могут помочь повысить прочность напечатанных на 3D-принтерах материалов.
Исследование было проведено специалистами из университетов Пердью, Корнелла и Кейс Вестерн Резерв, сообщает eurekalert.org. Как и строительные конструкции, кости имеют внутри колонны и балки, определяющие их долговечность. Понимание принципа работы структур поможет укрепить легкие 3D-печатные материалы. Исследователи обнаружили, что имитируя костные балки, они могут на 30% увеличить толщину продукта и до 100 раз продлить его срок службы.
«Кости – как здания. Колонны принимают большую часть нагрузки, а балки соединяют их. Это поможет создать более прочные 3D-печатные материалы для построек и других структур», — сказал профессор Университета Пердью, Пабло Заваттьери.
Выводы исследования представлены в журнале PNAS.
Прочность костей обеспечивают губчатые структуры, трабекулы – сеть вертикальных и горизонтальных элементов. Но их ослабляют возраст или болезни. Ученые обнаружили, что именно горизонтальные перекладины повышают долговечность.
«Старея, люди первыми теряют эти перекладины, повышая вероятность переломов», — сказал профессор Кристофер Эрнандес из Корнелльского университета, чья группа заподозрила важность структур.
Их изучение поможет улучшить лечение пациентов остеопорозом. Авторы также планируют применить знания в 3D-печати. Процесс позволяет ускорить и удешевить производство стройматериалов. Но напечатанные слои цемента должны выдерживать нагрузку так же, как стандартные дома. Решить проблему поможет преобразование их внутренней структуры. Лаборатория Заваттьери создала напечатанные полимеры, имитирующие архитектуру трабекул.
Симуляции показали важность роли перекладин в увеличении долговечности при циклических нагрузках. Свойство сохранилось в полимерах. Чем толще были горизонтальные перекладины, тем дольше он выдерживал нагрузку. Балки мало увеличивали массу материала. Авторы предполагают, что дизайн поможет создать более прочные и легкие материалы.
Комментарии
Источник: