Аддитивное производство целлюлозы

Репортаж от 9 марта 2020 г.

Тамараси Джевандара, Phys.org

Функционально классифицированные материалы (FGM) допускают разнообразные применения в междисциплинарных областях, от биомедицины до архитектуры. Однако их изготовление может быть утомительным из-за непрерывности градиента, межфазного изгиба и свободы направления. Большинство коммерческих программ для проектирования не включают данные о градиенте свойств, что затрудняет исследование проектного пространства, подходящего для FGM. В новом отчете о достижениях науки Педро А.Г.С. Джакини и исследовательская группа в области архитектуры и городского планирования, физического интеллекта и медицины из США, Германии и Турции разработали комбинированный подход к инженерии материалов и цифровой обработке. Этот метод облегчил создание мультиматериалов на основе экструзии, аддитивное производство настраиваемых вязкоупругих материалов на основе целлюлозы.

Конструкции сохраняли непрерывные, высококонтрастные и многомерные градиенты жесткости. Джакини и др. разработал метод разработки наборов материалов на основе целлюлозы со схожим составом, но с разными механическими и реологическими свойствами. Команда также параллельно разработала цифровой рабочий процесс для внедрения информации о градиенте в проектные модели с интегрированным планированием производственного процесса. Команда объединила физические и цифровые инструменты для достижения одинаковых градиентов жесткости несколькими способами, чтобы достичь открытых возможностей проектирования, которые ранее были ограничены жестким соединением материала и геометрии.

Функционально-градуированные материалы (ФГМ) могут постепенно изменять состав или структуру непрерывным и ступенчатым образом, что приводит к изменению свойств композита. Принципы проектирования материалов аналогичны принципам многих природных подложек и созданы для удовлетворения многочисленных, порой противоречивых требований к проектированию в различных областях, включая тонкопленочные покрытия, биомедицинскую инженерию и архитектуру. FGMs могут лучше распределять напряжение на границах раздела, программировать деформацию мягких актуаторов и влиять на скорость миграции клеток.

Джакини и др. комбинированное материаловедение и цифровая обработка как метод производства FGM для процессов конструктивного и массового транспорта для создания непрерывных градиентов. Они добились этого с помощью инженерных решений производного целлюлозы, обеспечивающего настраиваемые вязкоупругие свойства с контролируемой экструзией, используя при этом цифровой рабочий процесс для внедрения информации о градиенте в конструкции и создания специального G-кода для управления операционной системой [трехмерный (3-мерный) Г) принтер и шприцевые насосы]. Команда использовала нити различного состава и поперечного сечения, чтобы облегчить молекулярную диффузию через границы нитей и создать непрерывные градиенты. Они подчеркнули актуальность сочетания материаловедения с индивидуальными производственными технологиями и созданием экологически чистого и распространенного материала на основе биополимеров. Разработав такие физические и цифровые инструменты, команда сможет создавать многомерные и непрерывные градиенты жесткости с помощью различных методов, чтобы расширить возможности проектирования FGM.

Джакини и др. выбранная гидроксиэтилцеллюлоза (ГЭЦ); загущающее и гелеобразующее производное целлюлозы в качестве основного материала, благодаря его нетоксичному, биоразлагаемому и экологически чистому составу. Точка гелеобразования ГЭЦ наступала через 96 минут, переходя из водного раствора в твердый гидрогель. Ученые оптимизировали параметры раствора, чтобы минимизировать скорость вязкости раствора. Когда они добавляли в раствор лимонную кислоту (СА), скорость гелеобразования замедлялась больше всего для достижения удовлетворительной консистенции при экструзии. Затем команда охарактеризовала печатный материал, чтобы понять влияние добавок: добавление лигнина значительно увеличило жесткость и прочность на разрыв, а включение СА снизило эти механические свойства. Комбинированные решения, дифференцированные по лигнину и КА, обеспечили различные механические свойства для печати объектов с градиентами свойств. Затем команда отметила уменьшение жесткости и увеличение размера и веса напечатанных образцов с увеличением относительной влажности, что они исследовали для применений, связанных с структурами, меняющими форму.