Additiv fremstilling af cellulosebaserede materialer med kontinuerlig, stigninger i flere retninger

Funktionelt graderede materialer (FGM) tillader forskellige anvendelser inden for tværfaglige områder fra biomedicin til arkitektur. Imidlertid, deres fremstilling kan være kedelig i forhold til gradientkontinuitet, grænsefladebøjning og retningsfrihed. De fleste kommercielle designsoftware inkluderer ikke egenskabsgradientdata - hvilket forhindrer udforskning af designrum, der er egnet til FGM'er. I en ny rapport om Videnskab fremskridt , Pedro A.G.S. Giachini og et forskerhold inden for arkitektur og byplanlægning, fysisk intelligens og medicin, i USA, Tyskland og Tyrkiet designede en kombineret tilgang til materialeteknik og digital forarbejdning. Metoden letter ekstruderingsbaseret multimateriale, additiv fremstilling af cellulosebaseret, indstillelige viskoelastiske materialer.

Konstruktionerne opretholdt kontinuerlige, højkontrast og flerdimensionale stivhedsgradienter. Giachini et al. etableret en metode til at konstruere sæt af cellulosebaserede materialer med lignende sammensætninger, dog med tydelige mekaniske og reologiske egenskaber. Teamet udviklede også parallelt en digital arbejdsgang for at integrere gradientinformation i designmodeller med integreret fabrikationssti -planlægning. Teamet kombinerede de fysiske og digitale værktøjer for at opnå lignende stivhedsgradienter gennem flere veje for at opnå åbne designmuligheder, der tidligere var begrænset til stiv kobling af materiale og geometri.

Funktionelt graderede materialer (FGM'er) kan gradvist ændre sammensætning eller struktur i en kontinuerlig, trinvis for at give anledning til ændrede egenskaber for en komposit. Principper for materialedesign ligner mange naturligt forekommende underlag, bygget til at opfylde flere, til tider modstridende designkrav på forskellige områder, herunder tyndfilmbelægninger, biomedicinsk teknik og arkitektur. FGM'erne kan bedre fordele stress ved grænseflader, program deformation af bløde aktuatorer og påvirke hastigheden af ​​cellemigration.

Giachini et al. kombineret materialeteknik og digital forarbejdning som en FGM -fremstillingsmetode til konstruktive og massetransportprocesser for at skabe kontinuerlige gradienter. De opnåede dette ved at konstruere løsninger af et cellulosederivat for at tilvejebringe afstembare viskoelastiske egenskaber med kontrolleret ekstrudering, mens du bruger den digitale arbejdsgang til at integrere gradientinformation i designs og generere en brugerdefineret G-kode til styring af operativsystemet [tredimensionel (3-D) printer og sprøjtepumper]. Teamet brugte filamenter af forskellige sammensætninger og tværsnit for at lette molekylære diffusioner over filamentgrænser og skabe kontinuerlige gradienter. De understregede relevansen af ​​at kombinere materialeteknik med tilpassede fremstillingsteknologier og et miljøvenligt og rigeligt biopolymerbaseret fremstillingsmateriale. Ved at designe sådanne fysiske og digitale værktøjer, teamet vil være i stand til at oprette multidimensionale og kontinuerlige stivhedsgradienter via en række metoder til at udvide designmulighederne for FGM'er.

Giachini et al. udvalgt hydroxethylcellulose (HEC); et fortykkelses- og geleringsderivat af cellulose som grundmateriale på grund af dets giftfri, biologisk nedbrydeligt og miljøvenlig forfatning. Gelationspunktet for HEC forekom ved 96 minutter, overgang fra en vandig opløsning til en fast hydrogel. Forskerne optimerede løsningsparametrene for at minimere hastigheden af ​​opløsningens viskositet. Når de tilføjede citronsyre (CA) til opløsningen, geleringshastigheden sænkes mest for tilfredsstillende ekstruderingskonsistens. Holdet karakteriserede derefter det trykte materiale for at forstå effekten af ​​tilsætningsstoffer, hvor tilsætning af lignin øgede stivheden og trækstyrken markant, mens inklusionen af ​​CA reducerede disse mekaniske egenskaber. De kombinerede lignin- og CA-differentierede løsninger gav en række mekaniske egenskaber til at udskrive objekter med egenskabsgradienter. Holdet noterede derefter et fald i stivhed og stigning i størrelse og vægt af trykte prøver med stigende relativ luftfugtighed, som de undersøgte til applikationer, der involverer formændrende strukturer.

Under arbejdsgangen mellem design og fremstilling, teamet kombinerede geometriske modeller med gradientdata for at oprette FGM -data og generere en fabrikationskode. Som en platform for denne arbejdsgang, de brugte græshoppe; en visuel programmeringsgrænseflade indlejret i 3D-modelleringssoftwaren Rhinoceros 3-D. Teamet varierede fremstillingsparametrene for at skabe de graderede objekter af interesse ved at lægge lag på hinanden, varierende mængden af ​​materialet og dets sammensætning.

Flydende materialer med lavere viskositet gav objektkontinuitet, mens mere tyktflydende blandinger diskret ændrede stivheden. Diffusionen mellem kontrasterende materialer garanterede kontinuitet mellem lag for at skabe kontinuerlige og smidige plader af materiale med mønstrede forstærkninger. Aflejringshastigheden afhang af ekstruderingshastigheden af ​​sprøjtepumperne og hastigheden af ​​printerens dyse. Giachini et al. integrerede disse fabrikationsparametre i de geometriske data og oversatte dataene til fabrikationskommandoer for at koordinere fordelingen af ​​materiale, udforske materialestrøm og tillade lige deponeringsveje at fremstille objekter med varieret geometrisk stivhed.

De designede data om blandingsforhold, til oversættelse til fremstillingskoder, der ændrede ekstruderingshastigheden af ​​sprøjtepumperne og udviklede en beregningsstrategi for at optimere deponeringsvejen for at løse udfordringerne ved opsætningen. Prøven fremstillet ved hjælp af den gradientoptimerede vej viste højere materialekontrast umiddelbart efter aflejring. Teamet afstemte gradienterne på den lokale og globale skala ved hjælp af de udviklede strategier. De afstemte den lokale stivhed i henhold til materialets Youngs modul for at kontrollere materialefordeling og påvirke objektdeformation. For eksempel, Giachini et al. forelagde materialerne for eksterne kræfter for at opnå tydelig deformationsadfærd ved at fordele stivhed langs bestemte retninger eller mønstre.

Metoden til at bruge ekstern kraft til at generere den endelige form af et oprindeligt fladt objekt vil give designere mulighed for at udnytte forenklede 2-D-fremstillingsstrategier og undgå komplekse 3D-processer. Metoden vil have applikationer i industrielle produktdesign, arkitektoniske designsystemer, der udforsker elastisk bøjning af plane objekter for at opnå form og strukturel integritet og til at udvikle kompatible mekanismer og blød robotik. Teamet validerede deres eksperimentelle observationer ved hjælp af en simulering, som afspejlede den fysiske prototype, giver feedback om fordelingen af ​​spændinger i den deformerede prøve.

På denne måde, Pedro A.G.S. Giachini og kolleger kombinerede materialeteknik og digital forarbejdning for at styre blanding og deponering af materialer for at ekstrude tunable, viskoelastiske materialer med kontinuerlig, højkontrast og flervejs stivhedsgradienter. De etablerede en metode til at konstruere en baseløsning i et katalog af fluidiske cellulosebaserede materialer indeholdende distriktsmekaniske og reologiske egenskaber for at give et fysisk fundament for stivhedsgradienter. Metodens fleksibilitet gav teamet mulighed for at tilpasse skalerbare og tilpasningsdygtige processer, der kan anvendes på en række gradientfabrikationsprocesser. Den udviklede metode vil blive yderligere optimeret til at overvinde begrænsninger og skubbe det eksisterende potentiale til at udskrive 2-D eller 2,5-D objekter og skabe fuldt udformede 3D-objekter med interne funktionelle egenskabsgradienter.

© 2020 Science X Network