Bioinspired and Architectured Materials with Enhanced Mechanical Performance by Three-dimensional Printing

The tremendously rapid development of additive manufacturing technologies is enabling the fabrication of a new class of advanced materials, referred to as architectured materials. They have well defined internal structures at length scales which are smaller than the size of the components, but which are much larger than the length scales traditionally associated with the microstructures of materials (e.g. grain size, lattice constant, polymer chains). They feature a controlled internal architecture ranging from 100 µm to 100 mm, therefore bridging the gap between microstructure and component size. The design of new architectured materials can profit from the strategies followed by nature in load-bearing biological materials. This is the context of the present PhD research, where we focused on introducing nature’s design principles into synthetic architectured materials using 3D printing, with the final goal to prototype next-generation materials with enhanced mechanical efficiency and multifunctionality. We first considered cellular architectures, which are widespread in nature as well as in engineering thanks to the combination of low weight with high stiffness and strength. Cellular solids also allow to expand the design space, because by tuning internal architectures we can obtain many different mechanical responses according to specific requirements. Here, we investigated the combination of local positive and negative Poisson ratio phases inside a cellular structure to enhance the overall mechanical behavior. Specifically, we introduced into a regular hexagonal beam lattice, local defects in the form of auxetic inclusions. Auxetic materials possess negative Poisson ratio, i.e., they contract perpendicular to the compression direction. We demonstrated that the combination of positive and negative Poisson ratio subunits could lead to a remarkable stiffness enhancement in cellular solids due to the contrast in the local deformation modes without increasing relative density. In a subsequent study we focused on helix-reinforced composites. Arranging stiff helicoidal fibers into a soft matrix is a universal construction principle widely adopted in load-bearing biological materials as well as in traditional engineering composites. A common example is the wood cell wall, which has a multilayer tube-like structure, each layer featuring helicoidal cellulose fibers reinforcing a matrix of lignin and hemicellulose. Here, we 3D printed wood-like architectures having stiff polymeric helix-reinforcements embedded into softer rubbery matrix. By controlling the fiber winding angle and matrix compliance, we could program the mechanical response of our structures in terms of stiffness and energy absorption. We also demonstrated that adding thin outer and inner reinforcing layers to the main helicoidal structure, with small fibrous elements oriented perpendicular to the applied load as seen in the wood cell, could lead to a huge amplification of failure strength and energy absorption of the wood-inspired structures. The mechanical behavior of composite materials, both man-made and fabricated by nature, is largely controlled by internal interfaces. Therefore, we turned our attention to characterize interfaces fabricating during 3D printing. In polyjet 3D printing, discrete photopolymer droplets are deposited on a build tray, leveled off by a roller and cured by UV light. This technique has a huge potential for cost-effective manufacturing of high performance multimaterial composites with soft and stiff polymers combined in a countless variety of arrangements and linked through interfaces. However, in 3D polyjet printing the properties of the interface between different photopolymers are unknown. Here, by combing different experimental methods and computer simulations we indicated that, depending on the printing modality, a strong blending at the interfaces over a length scale much bigger than droplet size can occur. We also reported that interface properties are dominated by the harder polymer phase. Our results provide novel insights on the micro-scale behavior of 3D printed interfaces, which should be considered when designing multimaterial composites. Finally, the last work of this PhD relates to possible bioinspired strategy to improve failure resistance of bimaterial attachments. Biological interfaces between two dissimilar materials are usually not flat but show distinct patterns in the form of interdigitation. This is the case of the interface connecting soft tissues such as ligaments and tendons to bone. There, interdigitation is believed to enhance failure resistance. Here, we performed an experimental study based on 3D printing to investigate the impact of patterning at interfaces connecting two materials with a large mismatch of elastic properties similar to the one of tendon and bone. The failure behavior was studied on 3D printed bimaterial polymer samples featuring a single notch and subjected to tensile loading. Results showed that pattering bimaterial interfaces with a wavy profile can delay failure initiation and increase failure resistance with respect to flat interfaces. Furthermore, we performed a novel assessment of damage tolerance by 3D printing defects right at the interface and we proved that waviness also makes the interface less sensitive to pre-existing damage.In conclusion, our work highlighted the possibility to use 3D printing in combination with computer simulations and experimental testing to design and prototype novel synthetic materials featuring biomechanical design principles of biological materials, which were replicated at higher length scales and using completely different building blocks. We analyzed different construction strategies ranging from cellular architectures to fiber reinforcements and we hope that our results shall guide the development of next generation architectured materials featuring locally tunable and heterogeneous properties, which could lead to unprecedented multiple functionalities.L’incroyable rapidité de développement des technologies de fabrication additive permet la création d'une nouvelle classe de matériaux avancés, appelés matériaux architecturaux. Ces derniers ont des structures internes soigneusement définies à des échelles de longueur inférieures à la taille des composants, mais largement supérieures aux échelles de longueur traditionnellement associées aux microstructures des matériaux (par exemple : la taille des grains, la constante de réseau ou les chaînes polymères). Ils présentent une architecture interne contrôlée allant de 100 µm à 100 mm, comblant ainsi l’espace entre la microstructure et la taille des composants. La conception de nouveaux matériaux architecturaux peut s’inspirer et exploiter les stratégies mises en place par la nature dans les matériaux biologiques porteurs. C’est le contexte de la présente thèse de doctorat, où l’enjeu principal a résidé dans l’introduction des principes de conception de la nature dans des matériaux architecturaux synthétiques exploitant l’impression 3D. Le but final de notre recherche était le prototypage de matériaux nouvelle génération présentant une efficacité mécanique et une multifonctionnalité améliorées. Nous avons d’abord examiné les architectures cellulaires, qui sont très répandues dans la nature et dans l’ingénierie grâce à une combinaison de légèreté, rigidité et résistance élevées. Les solides cellulaires permettent également d'élargir l'espace de conception, car en ajustant les architectures internes, il est possible d’obtenir des réponses mécaniques variées en fonction d'exigences spécifiques. Ici, nous avons étudié la combinaison de coefficients de Poisson de phases locales positives et négatives à l'intérieur d'une structure cellulaire afin d'améliorer le comportement mécanique global. Plus précisément, nous avons introduit dans un réseau de faisceau hexagonal régulier des défauts locaux sous la forme d’inclusions auxétiques. Les matériaux auxétiques possèdent un coefficient de Poisson négatif, c'est-à-dire qu'ils se contractent perpendiculairement à la direction de compression. Nous avons démontré que la combinaison de sous-unités de coefficients de Poisson positifs et négatifs pouvait entraîner une amélioration remarquable de la rigidité dans les solides cellulaires en raison du contraste entre les modes de déformation locale sans augmentation de la densité relative. Dans une étude ultérieure, nous nous sommes concentrés sur les composites renforcés en hélice. La mise en place de fibres hélicoïdales rigides dans une matrice souple est un principe de construction universel et largement adopté dans les matériaux biologiques porteurs, ainsi que dans les composites traditionnels d'ingénierie. Un exemple courant est la paroi cellulaire du bois, qui présente une structure de type tube multicouches, où chaque couche est constituée de fibres cellulosiques hélicoïdales renforçant une matrice souple de lignine et d’hémicellulose. Ici, nous avons imprimé en 3D des architectures de type bois dotées de renforts hélicoïdaux en polymères rigides incorporés dans une matrice caoutchouteuse plus molle. En contrôlant l'angle d'enroulement de la fibre et la souplesse de la matrice, il est possible de programmer la réponse mécanique de nos structures en termes de rigidité et d'absorption d'énergie. Nous avons également démontré que l’ajout de fines couches de renforcement externes et internes à la structure hélicoïdale principale, avec de petits éléments fibreux orientés perpendiculairement à la charge appliquée, comme indiqué dans la cellule en bois, pourrait entraîner une amplification considérable de la résistance à la rupture et de l’absorption d’énergie des structures inspirées du bois. Le comportement mécanique des matériaux composites, qu'ils soient synthétiques ou naturels, est dans la majorité des cas contrôlé par les interfaces internes. Nous avons donc concentré notre attention sur la caractérisation des interfaces créés par l’impression 3D. Lors de l’impression 3D utilisant la technologie polyjet, des gouttelettes discrètes de photopolymère sont déposées sur un plateau de fabrication, égalisées par un rouleau et durcies à la lumière ultraviolette. Cette technique offre un potentiel considérable pour la fabrication rentable de composites multimatériaux et très performants, composés de polymères souples et rigides combinés dans une multitude de configurations et reliés par des interfaces. Cependant, avec la technologie polyjet 3D, les propriétés de l'interface entre les différents photopolymères sont inconnues. Ici, en combinant différentes méthodes expérimentales et simulations numériques, nous avons prouvé que, selon les modalités d’impression, il est faisable de produire un mélange important aux interfaces sur une échelle de longueur beaucoup plus grande que la taille des gouttelettes. Nous avons également démontré que les propriétés d'interface sont dominées par la phase de polymère la plus dure. Nos résultats fournissent de nouvelles informations sur le comportement d'interfaces 3D imprimées à une micro-échelle, qui devraient être prises en compte lors de la conception de composites multimatériaux. Enfin, le dernier travail de cette thèse concerne une possible stratégie bioinspirée pour améliorer la résistance aux défaillances des attachements bimatériels. Les interfaces biologiques entre deux matériaux différents ne sont généralement pas plates, mais présentent des motifs distincts sous forme d'interdigitations. C'est le cas de l'interface qui relie les tissus mous tels que les ligaments et les tendons, à l'os. Nous pensons que l’interdigitation améliore la résistance à la rupture. Ici, nous avons effectué une étude expérimentale basée sur l’impression 3D afin d’étudier l’impact au niveau des interfaces de la géométrie du motif reliant deux matériaux présentant un grand décalage entre les propriétés élastiques, similaires à celles du tendon et de l’os. Le comportement à la rupture a été étudié sur des échantillons de polymère bi-matière imprimés en 3D présentant une seule encoche et soumis à une charge de traction. Les résultats ont montré que le fait de mélanger des interfaces bimatières avec un profil ondulé peut retarder l’initiation de la défaillance et augmenter la résistance à la défaillance par rapport aux interfaces plates. En outre, nous avons procédé à une nouvelle évaluation de la tolérance aux dommages causés par les défauts d’impression 3D au niveau de l’interface et nous avons montré que l’ondulation rendait également l’interface moins sensible aux dommages préexistants. En conclusion, nos travaux ont mis en évidence la possibilité d’utiliser l’impression 3D en combinaison avec des simulations numériques et des expériences pour concevoir et prototyper de nouveaux matériaux synthétiques, intégrant les principes de conception biomécanique des matériaux biologiques, qui ont été répliqués à des échelles plus grandes et avec des blocs de construction complètement différents. Nous avons analysé différentes stratégies de construction allant des architectures cellulaires aux renforts de fibres et nous espérons que nos résultats guideront le développement de matériaux architecturés de nouvelle génération présentant des propriétés localement réglables et hétérogènes, susceptibles de déboucher sur des fonctionnalités multiples sans précédent