Torsion resistant bio-inspired structures

In the last decades, there is an increasing interest in materials that are able to overcome the limitations of traditional ones, especially regarding their low versatility. This need for innovation is combined with the development of biomimetic science, which deals with the study of biological processes transferred from the natural to the artificial world. The key concept therefore lies in drawing inspiration from nature, mimicking its morphologies, in order to bring out innovative solutions to scientific problems. The purpose of the current research experience lies in particular in the design of a bio-inspired composite structure, capable of providing adequate resistance to torsion and fracture. In this context, the bone structure is a source of inspiration. The hierarchical conformation of this tissue, in particular the microstructure of the cortical bone, presents considerable fracture resistance, especially if subjected to torsion. The work focuses on the development and the evaluation of a macroscopic cylindrical specimen, characterized by a matrix made of a polymeric stiff material (E = 735 MPa), inside which a soft rubber is placed (E = 0.8 MPa). The relative volume fraction between the two materials is kept constant. In order to evaluate the morphological characteristics and the mechanical behavior of complex geometries, specimens are produced by 3D-printing technique at TU-Delft University (Department of Biomechanics). Preliminary numerical analyses in the linear elastic field are carried out on cylinders having inside "osteons" with circular and elliptical sections, arranged in different conformations: triangular and circular. They do not show a variation in the torsional behavior. It is therefore decided to use a more systematic design approach and to move on to a non-linear analysis. Structures are designed so as to consider different typical features of the cortical bone, both individually and in a hierarchical assembly. There is no substantial difference in mechanical response between the various proposed arrangements. As regards the individual morphologies, a greater variability in the torsion behavior is denoted. Of particular relevance are the structures with soft helical fibers and hard-soft alternating layers, which show a higher deformation and a higher stress at failure, compared to the other considered structures (cylindrical osteons and structure with a reduced number of layers). From the numerical results, it is clear how the stiff material has very high mechanical characteristics (such as shear modulus, maximum stress and deformation at failure), compared to other the considered heterostructures. However, it presents an extremely fragile fracture modality, which is not observed in heterogeneous specimens. A further advantage regards the heterogeneous configurations, which show variable stiffness and toughness, depending on the arrangement mode, which can be modified according to the field of application. In conclusion, the study shows how cortical bone bio-inspired structures could bring considerable advantages in the design of torsion-subjected structures. In particular, the variability in the internal hierarchical structure of the test specimen leads to a consequent variety of mechanical properties, leading to an ad hoc design of the considered sample. Future developments focus in particular on the implementation of more complex structures, able to mimic the role played by Havers canals in the bone, lightening the structure and optimizing its torsional properties.

Negli ultimi decenni si assiste ad un crescente interesse nei confronti di materiali in grado di superare le limitazioni dei materiali tradizionali, legate in particolare alla ridotta versatilità degli stessi. Tale necessità di innovazione si coniuga con lo sviluppo della scienza biomimetica, la quale si occupa dello studio del trasferimento di processi biologici dal mondo naturale a quello artificiale. Il concetto chiave risiede dunque nel trarre ispirazione dalla natura, mimandone le morfologie, al fine di apportare soluzioni innovative a problematiche di interesse scientifico. Lo scopo di tale esperienza di ricerca risiede in particolare nella progettazione di una struttura composita bio-ispirata, in grado di fornire un’adeguata resistenza a torsione ed a frattura. In tale contesto, la struttura ossea risulta essere una rilevante fonte di ispirazione: si è dimostrato come la conformazione gerarchica di questo tessuto, in particolare la microstruttura dell’osso corticale, presenti notevoli capacità di resistenza a frattura, specialmente se soggetto a torsione. Prendendo come modello la struttura considerata, il lavoro si concentra sullo sviluppo e la valutazione di un provino cilindrico macroscopico formato da una matrice di materiale rigido (E = 735 MPa), al cui interno viene disposto un materiale cedevole (E = 0.8 MPa). La frazione volumetrica relativa tra i due materiali viene mantenuta costante. Al fine di valutare le caratteristiche morfologiche ed il comportamento meccanico di geometrie complesse, sono stati realizzati provini mediante la tecnica di polymer 3D-printing presso l’Università TU-Delft (Dipartimento di Biomeccanica). Analisi numeriche preliminari in campo lineare elastico sono state effettuate su cilindri aventi all’interno “osteoni” di sezione circolare ed ellittica disposti in diverse conformazioni: triangolare e circolare. Esse forniscono risultati molto simili tra loro, non ottenendo una variazione di comportamento a torsione. Si è quindi deciso di utilizzare un approccio di progettazione più sistematico e di passare ad analisi in campo non lineare. Si sono progettate strutture che considerino diverse caratteristiche tipiche del tessuto osseo corticale, sia singolarmente che in un assemblaggio gerarchico. Quest’ultimo non è stato ritenuto rilevante, poiché non si osserva una sostanziale differenza di risposta meccanica tra le varie topologie proposti. Per quanto concerne le singole morfologie, si denota una maggiore variabilità nel comportamento a torsione. Di particolare rilievo risultano le strutture aventi fibre soft elicoidali e strati alternati hard-soft, le quali mostrano una deformazione e uno sforzo a rottura più alti rispetto alle altre strutture considerate (osteoni cilindrici e struttura con un ridotto numero di layer). Dai risultati numerici si evince come il materiale rigido possieda caratteristiche meccaniche, quali modulo di taglio, massimo sforzo e deformazione a rottura, già molto elevate rispetto alla media dei materiali polimerici. Tuttavia, esso presenta una modalità di frattura estremamente fragile, che non viene osservata nei provini eterogenei. Un ulteriore vantaggio riguarda le configurazioni eterogenee: queste mostrano una rigidezza e una tenacità variabile in base alla modalità di arrangiamento e modificabili in base all’applicazione d’uso. In conclusione, lo studio illustra come strutture ispirate alla microstruttura ossea corticale possano apportare vantaggi considerevoli nella progettazione di strutture soggette a torsione. In particolar modo, la variabilità nella struttura gerarchica interna al provino in esame, conduce ad una conseguente varietà delle proprietà meccaniche, approdando ad una progettazione ad hoc del campione di interesse. Gli sviluppi futuri si incentrano in particolare sull’implementazione di strutture più complesse, in grado di mimare il ruolo svolto nell’osso dai canali di Havers, alleggerendo la struttura ed ottimizzandone le proprietà a torsione.