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3D Printing of Heterogeneous Bioinspired Composites

English title 3D Printing of Heterogeneous Bioinspired Composites
Applicant Studart André R.
Number 157696
Funding scheme Temporary Backup Schemes
Research institution Departement Materialwissenschaft ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Material Sciences
Start/End 01.02.2016 - 31.01.2021
Approved amount 1'991'875.00
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Keywords (4)

bioinspired composites; 3D printing; heterogeneous structures; polymer

Lay Summary (German)

Lead
Verbundwerkstoffe werden in industriellen Anwendungen wegen ihren starken mechanischen Eigenschaften bei geringem Gewicht und erhöhter Funktionalität im Bereich Transport, Energie und Medizin verwendet. Obwohl faserverstärkte Verbundwerkstoffe gegebenermassen viele Vorteile mit sich bringen, sind viele Anwendungsprobleme noch nicht gelöst wie zum Beispiel Verschleiss, Delamination, Materialermüdung und Schlagbeschädigung. In der Natur gibt es speziell konzipierte heterogene Materialarchitekturen die diese Probleme gelöst haben wie beispielsweise in Muscheln, Knochen und Zähnen. Diese natürlichen Materialen dienen als Inspiration und Vorbild zur Lösung dieser Probleme, da sich diese im Verlauf der Evolution perfekt an Ihre Umgebung angepasst haben.
Lay summary

 

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

In diesem Forschungsprojekt bestreben wir mit einem biologisch inspirierten Ansatz synthetische heterogene Verbundwerkstoffe mit nicht uniformen mechanischen Eigenschaften herzustellen. Um dieses Ziel erreichen zu können benutzen wir 3D Drucktechnologie um sowohl lokal die Komposition, die Struktur und die Eigenschaften zu kontrollieren als auch beliebige Formen zu implementieren. Die in diesem Projekt entwickelte Technologie wird verwendet, um Zusammenhänge in der Struktur, den mechanischen Eigenschaften und der verschiedenen Aufbaumöglichkeiten zu untersuchen. Dies wird zuerst anhand der Beispiele von Zähnen und Gelenken untersucht.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Die Herstellung von bio-inspirierten Materialen wird uns helfen die Struktur von biologischen Materialen besser zu verstehen. Wir werden dadurch in der Lage sein verschiedene Materialen herzustellen, die mechanisch stabiler sind als konventionell hergestellte Verbundwerkstoffe. Unsere Materialien können mittels 3D Drucktechnologie massgeschneidert konstruiert werden, um direkt dem Anwendungsgebiet gerecht zu werden. Die Anwendungsfelder in der restorativen Medizin, der Zahntechnologie und der flexiblen Elektronik könnten durch diese einzigartige und neue Herstellungsmöglichkeit von Materialien revolutioniert werden.

 

 

 

Direct link to Lay Summary Last update: 29.01.2016

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
146509 Directed self-assembly and mechanics of bioinspired platelet-reinforced composites 01.06.2013 Project funding (Div. I-III)
153940 THRIVE Sub-Project 2: Materials assembly for high transport rates in adsorber heat exchangers 01.11.2014 NRP 70 Energy Turnaround

Abstract

Composite materials are becoming increasingly important in transportation, energy and health applications, mainly due to their high strength-to-weight ratio and multiple functionalities. Despite their increasing relevance, the long-fiber reinforced composites used in most structural applications still suffer from several drawbacks such as impact damage, wear, delamination and long-term fatigue. Remarkably, many of such limitations have been solved through selective evolutionary processes in biological composites like shells, bone and tooth by creating elaborate heterogeneous architectures deliberately designed to fit the mechanical demands of the surrounding environment.In this research project, we aim at establishing a new paradigm in the design and fabrication of synthetic composites, in which the heterogeneous design concept of biological materials is replicated to generate artificial materials systems that best match the non-uniform mechanical stresses of a particular application. In order to achieve this ambitious goal, we propose the use of 3D printing technologies to locally control the composition, structure and properties of such synthetic heterogeneous materials. In this project, a printing platform will be developed to first artificially re-create and study universal architectures found in mollusc shells and bone. The technology will then be used to investigate structure-property-function relationships in the tooth and the tendon-bone interface using 3D printed composites as model systems. Such investigations will not only shed light on the design principles underlying the evolved architecture of biological materials, but will also lead to heterogeneous synthetic composites that are more durable than state-of-the-art materials and that can be tuned to fulfill mechanically demanding conditions in new applications. Given their disruptive nature in comparison to currently available structural composites, heterogeneous materials made through such bioinspired route have the potential to revolutionize the way materials are made and utilized in numerous fields, including restorative medicine and dentistry, flexible electronics and structural applications in general.
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