[論文レビュー] Bioinspired rational design of multi-material 3D printed soft-hard interfaces

Mauricio Cruz Saldívar, Edwin Tay Wei Shen+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2022

Bone Tissue Engineering Materials被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ボクセルベースのマルチマテリアル3Dプリントを用いて、耐久性のあるソフト・ハード界面を生物学的インスピレーションに基づく合理的設計で実現する手法を提示する。自然の界面構造——例えば三重周期的極小曲面（ギロイド、ダイヤモンド、オクト）、コラーゲンに類似したヘリカル構造、ランダムな粒子分布——を模倣するとともに、機能的勾配とインターロッキング構造を組み合わせることで、コントロール群に比べて最大50%高い靭性を示す強固で靭い界面を実現した。特に、ギロイドと粒子のハイブリッド構造が、応力集中を最小限に抑える点で顕著な効果を示した。

ABSTRACT

Durable interfacing of hard and soft materials is a major design challenge caused by the ensuing stress concentrations. In nature, soft-hard interfaces exhibit remarkable mechanical performance, with failures rarely happening at the interface but in the hard or soft material. This superior performance is mechanistically linked to such design features as hierarchical structures, multiple types of interlocking, and functional gradients. Here, we mimic these strategies to design efficient soft-hard interfaces using voxel-based multi-material 3D printing. We designed several types of soft-hard interfaces with interfacial functional gradients and various types of bio-inspired interlocking mechanisms. The geometrical designs were based on triply periodic minimal surfaces (i.e., octo, diamond, and gyroid), collagen-like triple helices, and randomly distributed particles. We utilized a combination of the finite element method and experimental techniques, including uniaxial tensile tests, quad-lap shear tests, and full-field strain measurement using digital image correlation, to characterize the mechanical performance of different groups. The analysis of the best performing designs (i.e., the gyroid, collagen, and particle designs) suggests that smooth interdigitated connections, compliant gradient transitions, and either decreasing or constraining the strain concentrations regions between the hard and soft phases led to simultaneously strong and tough interfaces. Increasing the gradient length was only beneficial when the resulting interface geometry reduced strain concentrations (e.g., in collagen and particles). Combining the gyroid-based architecture with a random distribution of particles yielded the best-performing soft-hard interface, with strengths approaching the upper limit of the possible strengths and up to 50% toughness enhancement as compared to the control group.

研究の動機と目的

• マルチマテリアルアディティブマニュファクチャリングにおける主な破壊要因であるソフト・ハード材料界面での応力集中を解決すること。
• 従来のソフト・ハード界面の機械的脆さを、生物学的系を模倣することで克服すること。
• 生物学的インスピレーションに基づく幾何構造と機能的勾配を用いて、マルチマテリアル3Dプリント界面の合理的設計フレームワークを構築すること。
• インターロッキング特徴と遷移領域の体系的設計を通じて、界面の機械的性能を最適化すること。
• ソフト・ハード界面の強度と靭性を最大化するための、最も効果的な幾何構造および材料勾配の組み合わせを同定すること。

提案手法

• 材料分布の精密制御が可能なボクセルベースのマルチマテリアル3Dプリントを用いて、複雑でマルチスケールの界面幾何構造をプロトタイピングした。
• 三重周期的極小曲面（ギロイド、ダイヤモンド、オクト）、コラーゲンに類似した三重ヘリカル構造、ランダムに分布する粒子を含む、自然を模倣した界面構造を設計した。
• 界面にわたり、材料組成と剛性に機能的勾配を導入することで、急激な物性変化を低減した。
• 応力とひずみ分布を予測し、設計最適化を支援するために、有限要素解析を実施した。
• 機械的性能の検証として、単軸引張試験、クアッドラップシアー試験、およびデジタル画像相関（DIC）を用いた全領域ひずみ測定を実施した。
• 勾配長およびインターロッキング幾何構造のパラメトリック変動を用いて、それらが界面の靭性および強度に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ギロイド、コラーゲンに類似したヘリックス、粒子分布といった生物学的インスピレーションに基づく界面幾何構造は、3Dプリントソフト・ハード界面の機械的性能にどのように影響を与えるか？
• RQ2 機能的勾配は、応力集中を低減し、界面靭性を向上させる役割を果たすか？
• RQ3 勾配遷移領域の長さは、界面の強度および靭性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 幾何構造と材料勾配のどの組み合わせが、界面強度および靭性を最大限に高めるか？
• RQ5 3Dプリントソフト・ハード界面の機械的性能は、理論的限界にどの程度まで近づけるか？

主な発見

• ハイブリッドギロイド・パラメータ設計が、界面強度の理論的上限に最も近い機械的性能を達成した。
• 最高性能を示した界面は、生物学的インスピレーション要素を有さないコントロール群に比べ、最大50%高い靭性を示した。
• 滑らかなインターディジテート接合部と柔軟な勾配遷移が、界面におけるひずみ集中を最小限に抑える上で不可欠であった。
• コラーゲンおよび粒子ベースの設計では、ひずみ集中を低減できる場合に限り、勾配長の延長が性能向上に寄与した。
• ギロイド構造単体は、優れた荷重伝達性と損傷耐性を示した一方、粒子分布はエネルギー散逸を向上させた。
• デジタル画像相関による全領域ひずみマッピングの結果、最高性能を示した設計では、破壊が界面ではなくソフトまたはハード材料内で発生したことが確認された。