Häuser aus dem 3D-Drucker: Das steckt schon in den Knochen

Was haben Knochen und Häuser aus dem 3D-Drucker gemeinsam? In beiden finden sich Säulen und Balken, die über die Lebensdauer der Konstruktion entscheiden.

Nun könnte die Entdeckung, wie ein „Balken“ im menschlichen Knochenmaterial mit dem lebenslangen Verschleiß zurechtkommt, in die Entwicklung 3d-gedruckter, leichter Werkstoffe einfließen, die für den Einsatz in Gebäuden, Flugzeugen und anderen Strukturen länger halten.

Ein Forscherteam von Cornell University, Purdue University und Case Western Reserve University hat diese Balken nachgebaut und um 30 Prozent dicker gemacht. Das Ergebnis: ein entsprechender künstlicher Werkstoff könnte bis zum Hundertfachen länger halten.

Pablo Zavattieri, Professor an der Lyles School of Civil Engineering der Purdue University, veranschaulicht den Knochen als ein Gebäude. Säulen tragen den Großteil der Last und die Balken verbinden die Säulen. Von dieser Bauweise könne man robustere 3D-gedruckte Materialien für Bauwerke und andere Konstruktionen herleiten.

Gerüst aus Trabekeln

Knochen beziehen ihre Stabilität aus dem schwammartigen, aus Trabekeln, feinen Bälkchen, bestehenden Gerüst, das sich als Netz vertikal miteinander verbundener, plattenartiger und horizontaler, stabförmiger Streben darstellt, die als Säulen und Balken fungieren. Je dichter die Trabekeln angeordnet sind, desto stärker ist der Knochen. Aber Krankheiten und Alter beeinflussen deren Dichte.

In einer Studie, veröffentlicht in den Proceedings of the National Academy of Sciences, konstatieren die Wissenschaftler, dass zwar die vertikalen Streben zur Steifigkeit und Stärke des Knochens beitragen, aber tatsächlich die eher unscheinbaren horizontalen Streben die Ermüdungslebensdauer des Knochens verlängern.

Die Gruppe um Christopher Hernandez, Professor an der Cornell University, sah die horizontalen Verstrebungen als wichtig für die Knochenhaltbarkeit an, was den üblicherweise vertretenen Annahmen zur Funktion der Trabekeln widerspricht.

Wenn Menschen altern, so Hernandez, verlieren sie zuerst diese horizontalen Streben, was die Wahrscheinlichkeit eines Ermüdungsbruchs unter Last erhöhe. Die Forschung an diesen Bauelementen des Knochens könnte auch die Behandlung von Osteoporose-Patienten verbessern.

Robustere Häuser aus dem 3D-Drucker

Mittlerweile halten Häuser aus dem 3D-Drucker und 3D-gedruckte Büroräume Einzug in der Bauindustrie. Mit dem Versprechen, viel schneller und billiger bauen zu können, müssen sich die additiven Fertigungsverfahren funktional mit herkömmlichen Bauweisen messen lassen. Auch gedruckte Zementschichten sollten Naturkatastrophen widerstehen, zumindest in dem Maße, wie das heute gebaute Häuser tun.

Diese Aufgabe könnte sich durch einen sorgfältig vorgenommenen Umbau der internen Struktur, oder „Architektur“ des Zements selbst lösen lassen. Das Labor von Zavattieri hat von der Natur inspirierte gebaute Werkstoffe entwickelt, ihre Eigenschaften verbessert und sie funktionstüchtiger gemacht. Die Forscher haben nicht nur die besten Methoden der Natur für langlebige, starke Strukturen in diese Werkstoffe eingebaut. Zavattieri und sein Team haben die horizontalen Streben auch simuliert und analysiert, um herauszufinden, ob diese eine größere Rolle für die Knochenstabilität spielen als früher angenommen. Anschließend haben sie 3d-gedruckte Polymermodelle mit einem Aufbau ähnlich dem der Trabekeln erstellt.

In der Simulation zeigte sich, dass die horizontalen Streben die Ermüdungslebensdauer entscheidend verlängern konnten. Ein Video dazu findet sich hier: https://youtu.be/XK7NZMZ4YDs.

Die Knochen-Mikrostruktur wurde in der Simulation einer zyklischen Belastung ausgesetzt. Da habe man sehen können, so Adwait Trikanad, Co-Autor der Arbeit und Civil Engineering Ph.D.-Student an der Purdue University, dass sich die Verformungen in den horizontalen Streben konzentrieren. Indem man diese Streben verdicke, könne man einige der beobachteten Verformungen abschwächen.

Stärker, aber kaum schwerer

Die Belastung der 3D-gedruckten Polymerstrukturen haben diesen Befund bestätigen können. Je dicker die horizontalen Streben, desto länger widersteht das Polymer der Last. Weil die Verstärkung der Streben die Masse des Polymers nicht deutlich erhöhte, sind die Forscher zuversichtlich, was die Entwicklung widerstandsfähiger Leichtgewichtsmaterialien betrifft.

Zavattieri ist überzeugt, dass man mit einem stärkeren, aber nicht schwereren Material 3D-gedruckte Strukturen vorfertigen und dann transportieren könne. Zu den weiteren Autoren der Forschungsarbeit gehören Ashley Torres, Cameron Aubin und Marysol Luna von der Cornell University und Clare Rimnac von der Case Western Reserve University.

Bild oben: Die Forscher haben Polymermodelle der Trabekel, der kleinen Knochenbälkchen, gedruckt und sie belastet, um herauszufinden, ob bestimmte Strukturen eine wichtigere Rolle in der Knochenfestigkeit spielen, als ursprünglich angenommen. Bild: Purdue University photo/Pablo Zavattieri

Weitere Informationen: https://www.purdue.edu/

Erfahren Sie hier mehr darüber, wie das 3D-gedruckte Futuro-Haus die Stratosphäre durchbricht.

Lesen Sie auch: „Erbsubstanz der Dinge: Wie der Blueprint ins Häschen kommt“.