Tänk om de inneboende svagheterna hos ett material faktiskt gjorde hus och byggnader starkare under skogsbränder och jordbävningar?

Purdue University forskare har 3-D-tryckt cementpasta, en nyckelingrediens i betongen och murbruket som används för att bygga olika delar av infrastrukturen, som blir tuffare under press som skalen på leddjur som hummer och skalbaggar. Tekniken kan så småningom bidra till mer motståndskraftiga strukturer under naturkatastrofer.

"Naturen måste hantera svagheter för att överleva, så vi använder de "inbyggda" svagheterna hos cementbaserade material för att öka deras seghet, sa Jan Olek, professor vid Purdues Lyles School of Civil Engineering.

Tanken skulle vara att använda mönster inspirerade av leddjursskal för att kontrollera hur skador sprids mellan de tryckta lagren av ett material, som att försöka bryta ett gäng okokta spaghetti nudlar i motsats till en enda nudel.

"Exoskeletten hos leddjur har sprickutbredning och härdningsmekanismer som vi kan reproducera i 3-D-tryckt cementpasta, sa Pablo Zavattieri, Purdue professor i civilingenjör.

3D-tryckta cementbaserade material – som cementpasta, murbruk och betong – skulle ge ingenjörer mer kontroll över design och prestanda, men tekniska detaljer har stått i vägen för att skala upp dem.

Purdues ingenjörer är de första som använder 3D-utskrift för att skapa bioinspirerade strukturer med cementpasta, som visas i en publicerad tidning och frontispicen för ett kommande tryckt nummer av tidskriften Avancerade material .

"3-D-utskrift har tagit bort behovet av att skapa en form för varje typ av design, så att vi kan uppnå dessa unika egenskaper hos cementbaserade material som inte var möjliga tidigare, sa Jeffrey Youngblood, Purdue professor i materialteknik.

Teamet använder också mikro-CT-skanningar för att bättre förstå beteendet hos härdade 3-D-tryckta cementbaserade material och dra fördel av deras svaga egenskaper, såsom porområden som finns vid "gränssnitten" mellan de tryckta lagren, som främjar sprickbildning. Denna upptäckt presenterades nyligen vid den första RILEM internationella konferensen om betong och digital tillverkning.

"3-D-utskrift av cementbaserade material ger kontroll över deras struktur, vilket kan leda till skapandet av mer skada och feltoleranta strukturella element som balkar eller pelare, " sa Mohamadreza "Reza" Moini, en Purdue Ph.D. civilingenjörskandidat.

Teamet inspirerades från början av mantisräkan, som erövrar sitt byte med ett "dactyl club"-bihang som blir tuffare vid stöten genom vridande sprickor som försvinner energi och förhindrar att klubban faller sönder.

Några av de bioinspirerade cementpastaelementen designade och tillverkade av teamet med hjälp av 3-D-utskriftstekniker inkluderar "bikaka, " "kompatibel" och "Bouligand" design, kallas "arkitekturer".

Var och en av dessa arkitekturer möjliggjorde nya beteenden i ett 3D-utskrivet element när det härdade. Bouligand-arkitekturen, till exempel, drar fördel av svaga gränssnitt för att göra ett material mer sprickbeständigt, Den överensstämmande arkitekturen gör att cementbaserade element fungerar som en fjäder, även om de är gjorda av sprött material.

Teamet planerar att utforska andra sätt som cementbaserade element kan utformas för att bygga mer motståndskraftiga strukturer.