[논문 리뷰] Bioinspired rational design of multi-material 3D printed soft-hard interfaces

Mauricio Cruz Saldívar, Edwin Tay Wei Shen외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 27.

Bone Tissue Engineering Materials인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 볼륨 기반 다중재료 3D 프린팅을 사용하여 내구성 있는 소프트-하드 인터페이스를 생체 모방적이고 이성적인 설계 접근법으로 제시한다. 삼중 주기적 최소 표면(기로이드, 다이아몬드, 올토), 콜라겐 유사 나선형, 무작위 입자 분포와 같은 천연 인터페이스 구조를 모방함과 동시에 기능적 경도 기울기와 잠금 기하학을 조합함으로써, 제어군 대비 최대 50% 높은 인열성과 강도를 확보하였으며, 특히 응력 집중을 최소화하는 하이브리드 기로이드-입자 설계가 뛰어난 성능을 발휘하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다중재료 적층 제조에서 주요 고장 지점인 소프트-하드 재료 인터페이스에서의 응력 집중 문제를 해결한다.
• 천연 생물 시스템을 모방함으로써 기존 소프트-하드 인터페이스의 기계적 취약성을 극복한다.
• 생체 모방 기하학과 기능적 기울기를 활용한 다중재료 3D 프린팅 인터페이스에 대한 이성적 설계 프레임워크를 개발한다.
• 잠금 기하학과 전이 영역의 체계적 설계를 통해 인터페이스 기계적 성능을 최적화한다.
• 소프트-하드 인터페이스의 강도와 내열성을 극대화하기 위한 가장 효과적인 기하학적 및 재료 기울기 조합을 규명한다.

제안 방법

• 재료 분포에 대한 정밀한 제어가 가능한 볼륨 기반 다중재료 3D 프린팅을 활용해 복잡한 다중 스케일 인터페이스 기하학을 제작하였다.
• 삼중 주기적 최소 표면(기로이드, 다이아몬드, 올토), 콜라겐 유사 삼중 나선형, 무작위 분포 입자 등을 포함한 천연 구조를 모방한 인터페이스 기하학을 설계하였다.
• 경계에서 급격한 물성 전이를 줄이기 위해 재료 조성과 강성에 기능적 기울기를 구현하였다.
• 유한 요소 해석을 통해 응력 및 변형률 분포를 예측하고 설계 최적화를 유도하였다.
• 단축 인장 시험, 쿼드랩 시험, 디지털 이미지 상관 분석(DIC)을 통한 전장 변형률 측정을 실시하여 기계적 성능을 검증하였다.
• 기울기 길이 및 잠금 기하학의 변화를 변수로 하여 그 영향을 인터페이스 내열성과 강도에 대해 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기로이드, 콜라겐 유사 나선형, 입자 분포와 같은 생체 모방 인터페이스 기하학은 3D 프린팅 소프트-하드 인터페이스의 기계적 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 기능적 기울기는 응력 집중을 줄이고 인터페이스 내열성을 향상시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 기울기 전이 영역의 길이가 인터페이스의 강도와 내열성에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ4 기하학적 구조와 재료 기울기의 조합 중 어느 것이 가장 높은 인터페이스 강도와 내열성을 제공하는가?
• RQ5 3D 프린팅 소프트-하드 인터페이스의 기계적 성능가 이론적 한계에 얼마나 가까이 도달할 수 있는가?

주요 결과

• 하이브리드 기로이드-입자 설계가 가장 뛰어난 기계적 성능을 보이며, 인터페이스 강도의 이론적 상한선에 근접하였다.
• 최고 성능을 보인 인터페이스는 생체 모방 특징이 없는 제어군 대비 최대 50% 높은 내열성을 보였다.
• 부드러운 상호갈라침 구조와 유연한 기울기 전이가 인터페이스에서 응력 집중을 최소화하는 데 핵심적인 역할을 하였다.
• 기울기 길이를 늘임으로써 성능 향상이 있었던 것은 콜라겐 및 입자 기반 설계에서 응력 집중 감소가 이루어졌을 때에 한해 성립하였다.
• 기로이드 기하학만으로도 강력한 하중 전달과 손상 저항성을 확보하였고, 입자 분포는 에너지 산산이 분산시키는 데 기여하였다.
• 디지털 이미지 상관 분석을 통한 전장 변형률 맵핑 결과, 최고 성능을 보인 설계에서는 고장이 인터페이스가 아닌 소프트 또는 하드 재료에서 시작되는 것으로 확인되었다.