[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种受生物启发的理性设计方法，利用体素化多材料3D打印技术制造耐久的软-硬界面。通过模仿自然界面结构——如三重周期极小曲面（gyroid、diamond、octo）、胶原蛋白样螺旋结构以及随机颗粒分布——并结合功能梯度和互锁几何结构，该研究实现了强度高、韧性好的界面，其韧性相比对照组最高提升50%，尤其在混合gyroid-颗粒设计中，能有效降低应变集中。

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.

研究动机与目标

• 解决多材料增材制造中软-硬材料界面处的应力集中问题，这是主要的失效点。
• 通过模仿自然生物系统，克服传统软-硬界面的机械脆弱性。
• 基于受生物启发的几何结构和功能梯度，建立多材料3D打印界面的理性设计框架。
• 通过系统设计互锁特征和过渡区域，优化界面的机械性能。
• 识别出能最大化软-硬界面强度和韧性的最优几何构型与材料梯度组合。

提出的方法

• 采用体素化多材料3D打印技术，精确控制材料分布，制造具有复杂多尺度界面几何结构的试样。
• 设计受自然界启发的界面结构，包括三重周期极小曲面（gyroid、diamond、octo）、胶原蛋白样三螺旋结构以及随机分布的颗粒。
• 在界面处实施材料组成和刚度的功能梯度，以减少属性的突变过渡。
• 应用有限元建模预测应力和应变分布，指导设计优化。
• 通过单轴拉伸试验、四搭接剪切试验以及基于数字图像相关法（DIC）的全场应变测量，验证机械性能。
• 通过参数化改变梯度长度和互锁几何结构，评估其对界面韧性与强度的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 受生物启发的界面几何结构（如gyroid、胶原蛋白样螺旋结构和颗粒分布）如何影响3D打印软-硬界面的机械性能？
• RQ2 功能梯度在降低应力集中和提升界面韧性方面起到什么作用？
• RQ3 梯度过渡区的长度如何影响界面的强度和韧性？
• RQ4 何种几何构型与材料梯度的组合能实现最高的界面强度和韧性？
• RQ5 3D打印软-硬界面的机械性能在多大程度上可接近理论极限？

主要发现

• 混合gyroid-颗粒设计实现了最高的机械性能，接近界面强度的理论上限。
• 性能最佳的界面相比无受生物启发特征的对照组，韧性最高提升50%。
• 平滑的交错连接和柔性的梯度过渡在最小化界面处应变集中方面至关重要。
• 仅当梯度长度减少应变集中时（如在胶原蛋白和颗粒基设计中）才提升性能。
• 仅gyroid结构本身即可实现良好的载荷传递和抗损伤能力，而颗粒分布则增强了能量耗散。
• 通过数字图像相关法获得的全场应变分布图证实，在性能最优的设计中，破坏始于软材料或硬材料本身，而非界面处。