Analysis of biomimetic interlocking joints inspired by a marine diatom and a beetle elytra; modeling, optimization, additive manufacturing and testing

Biological structures within living organisms usually exhibit an array of complex and unique geometries that serve a range of various mechanical functions in nature. Over the course of time, efficient techniques for synthesizing, building, and integrating structural adaption systems with exceptional mechanical properties have evolved in the biological systems of numerous animal and plant species as a response mechanism against adverse habitat and unfavorable living conditions. The purpose of this research is to examine two examples of structural alterations found in the shell of a marine diatom and the exoskeleton of a Hercules beetle that function as an adaptation mechanism and provide a method for effective stress distribution inside the bodies of both species. The research looks deeper into the diverse biomimetic interlocking suture interface designs inspired by marine diatom and beetle elytra, as well as the effect of varying the contact angle and increasing the number of interlocking joints on the structure's mechanical performance. The Finite Element Method was used to examine the mechanical properties of the interlocking joints in order to establish the contact angle and length scale at which the joint has an optimal performance. The joint with the finest performance was created via additive manufacturing. Additionally, under uniaxial tension, the structure-property interactions of additively manufactured prototypes were examined. The effect of increasing the number of interlocking joints on stiffness and toughness values, as well as the peak axial load, are presented. Further research also highlights the variation of tensile strength by changing the number of joints, which affects the normal to shear stress ratio in the interfacial layer. These observations may have implications for the development of robust, impact- and crush-resistant interlocking joints that might be utilized in place of conventional nuts and bolts, jigs, and fixtures in aerospace applications.

Le strutture biologiche all'interno degli organismi viventi di solito mostrano una serie di geometrie complesse e uniche che servono una gamma di varie funzioni meccaniche. Nel corso del tempo, tecniche efficienti per sintetizzare, costruire e integrare sistemi di adattamento strutturale con proprietà meccaniche eccezionali si sono evolute nei sistemi biologici di numerose specie animali e vegetali come meccanismo di risposta contro ambienti avversi e condizioni di vita sfavorevoli. Lo scopo di questa ricerca è esaminare due esempi di variazioni strutturali riscontrate nel guscio di una diatomea marina e nell'esoscheletro di un coleottero che funzionano come meccanismo di adattamento e forniscono un metodo per un'efficace distribuzione dello stress all'interno dei corpi di entrambe le specie. La ricerca esamina più in profondità i diversi design dell'interfaccia di collegamento ad incastro biomimetico ispirati alla diatomea marina e dal coleottero, nonché l'effetto della variazione dell'angolo di contatto e dell'aumento del numero di giunti ad incastro sulle prestazioni meccaniche della struttura. Il metodo degli elementi finiti è stato utilizzato per esaminare le proprietà meccaniche dei giunti ad incastro al fine di stabilire l'angolo di contatto e la scala di lunghezza in corrispondenza dei quali il giunto ha prestazioni ottimali. Il giunto con le migliori prestazioni è stato creato tramite la produzione additiva. Inoltre, sotto tensione uniassiale, sono state esaminate le interazioni struttura-proprietà di prototipi fabbricati in modo additivo. Viene presentato l'effetto dell'aumento del numero di giunti ad incastro sui valori di rigidità e tenacità, nonché sul carico assiale di picco. Ulteriori ricerche evidenziano anche la variazione della resistenza alla trazione modificando il numero di giunti, che influenza il rapporto tra sforzo normale e taglio nello strato interfacciale. Queste osservazioni possono avere implicazioni per lo sviluppo di giunti ad incastro robusti, resistenti agli urti e allo schiacciamento che potrebbero essere utilizzati al posto di dadi e bulloni convenzionali, maschere e dispositivi di fissaggio nelle applicazioni aerospaziali.