Functioneel gesorteerde materialen (FGM) maken diverse toepassingen mogelijk op multidisciplinaire gebieden, van biogeneeskunde tot architectuur. Echter, hun fabricage kan vervelend zijn in verhouding tot de continuïteit van de gradiënt, grensvlak buigen en directionele vrijheid. De meeste commerciële ontwerpsoftware bevat geen gegevens over eigendomsgradiënten, wat de verkenning van ontwerpruimte die geschikt is voor FGM's belemmert. In een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang , Pedro AGS Giachini en een onderzoeksteam in architectuur en stedenbouw, fysieke intelligentie en geneeskunde, in de VS, Duitsland en Turkije ontwierpen een gecombineerde benadering van materiaaltechniek en digitale verwerking. De methode vergemakkelijkte op extrusie gebaseerd multimateriaal, additieve fabricage van op cellulose gebaseerde, afstembare visco-elastische materialen.

De constructies bleven continu, contrastrijke en multidimensionale stijfheidsgradiënten. Giachini et al. een methode ontwikkeld om sets op cellulose gebaseerde materialen met vergelijkbare samenstellingen te ontwikkelen, maar met duidelijke mechanische en reologische eigenschappen. Het team ontwikkelde parallel ook een digitale workflow om gradiëntinformatie in te bedden in ontwerpmodellen met geïntegreerde fabricagepadplanning. Het team combineerde de fysieke en digitale tools om vergelijkbare stijfheidsgradiënten te bereiken via meerdere paden om open ontwerpmogelijkheden te bereiken die voorheen beperkt waren tot een starre koppeling van materiaal en geometrie.

Functioneel gesorteerde materialen (FGM's) kunnen geleidelijk van samenstelling of structuur veranderen in een continue, stapsgewijs om de eigenschappen van een composiet te veranderen. Principes van materiaalontwerp zijn vergelijkbaar met veel natuurlijk voorkomende substraten, gebouwd om meerdere, soms tegenstrijdige ontwerpvereisten op diverse gebieden, waaronder dunnefilmcoatings, biomedische techniek en architectuur. De VGV's kunnen stress beter verdelen op grensvlakken, programmeer vervorming van zachte actuatoren en beïnvloeden de snelheid van celmigratie.

Giachini et al. gecombineerde materiaaltechniek en digitale verwerking als een FGM-productiemethode voor constructieve en massatransportprocessen om continue gradiënten te creëren. Ze bereikten dit door oplossingen van een cellulosederivaat te ontwerpen om afstembare visco-elastische eigenschappen te bieden met gecontroleerde extrusie, terwijl de digitale workflow wordt gebruikt om gradiëntinformatie in de ontwerpen in te bedden en een aangepaste G-code te genereren om het operationele systeem [driedimensionale (3-D) printer en spuitpompen te besturen]. Het team gebruikte filamenten van verschillende samenstellingen en dwarsdoorsneden om moleculaire diffusies over filamentgrenzen te vergemakkelijken en continue gradiënten te creëren. Ze benadrukten de relevantie van het combineren van materiaaltechnologie met op maat gemaakte productietechnologieën en een milieuvriendelijk en overvloedig op biopolymeer gebaseerd fabricagemateriaal. Door dergelijke fysieke en digitale hulpmiddelen te ontwerpen, het team zal in staat zijn om via verschillende methoden multidimensionale en continue stijfheidsgradiënten te creëren om de ontwerpmogelijkheden voor FGM's uit te breiden.

Giachini et al. geselecteerde hydroxyethylcellulose (HEC); een verdikkend en gelerend derivaat van cellulose als basismateriaal, vanwege zijn niet-toxische, biologisch afbreekbare en milieuvriendelijke samenstelling. Het geleringspunt van HEC trad op na 96 minuten, overgang van een waterige oplossing naar een vaste hydrogel. De wetenschappers optimaliseerden de oplossingsparameters om de snelheid van oplossingsviscositeit te minimaliseren. Toen ze citroenzuur (CA) aan de oplossing toevoegden, de geleringssnelheid vertraagde het meest voor een bevredigende extrusieconsistentie. Het team karakteriseerde vervolgens het gedrukte materiaal om het effect van additieven te begrijpen, waar de toevoeging van lignine de stijfheid en treksterkte significant verhoogde, terwijl de opname van CA deze mechanische eigenschappen verminderde. De gecombineerde lignine- en CA-gedifferentieerde oplossingen boden een verscheidenheid aan mechanische eigenschappen om objecten met eigenschapsgradiënten te printen. Het team constateerde vervolgens een afname in stijfheid en toename in grootte en gewicht van gedrukte monsters met toenemende relatieve vochtigheid, die ze onderzochten voor toepassingen met vormveranderende structuren.

Tijdens de workflow van ontwerp tot fabricage, het team combineerde geometrische modellen met gradiëntgegevens om FGM-gegevens te creëren en een fabricagecode te genereren. Als platform voor deze workflow, ze gebruikten Grasshopper; een visuele programmeerinterface ingebed in de 3D-modelleringssoftware Rhinoceros 3-D. Het team varieerde de fabricageparameters om de gegradeerde objecten van belang te creëren door lagen over elkaar heen te leggen, het variëren van de hoeveelheid van het materiaal en de samenstelling ervan.

De vloeibaarheid van materialen met een lagere viscositeit zorgde voor objectcontinuïteit, terwijl meer viskeuze mengsels discreet de stijfheid veranderden. De diffusie tussen contrasterende materialen garandeerde continuïteit tussen de lagen om doorlopende en buigzame vellen materiaal met patroonversterkingen te creëren. De depositiesnelheid was afhankelijk van de extrusiesnelheid van de spuitpompen en de snelheid van de spuitmond van de printer. Giachini et al. deze fabricageparameters ingebed in de geometrische gegevens en de gegevens vertaald in fabricagecommando's om de distributie van materiaal te coördineren, materiaalstroom onderzoeken en gelijke afzettingspaden toestaan ​​om objecten met gevarieerde geometrische stijfheid te vervaardigen.

Ze ontwierpen gegevens over mengverhoudingen, voor vertaling in fabricagecodes die de extrusiesnelheid van de spuitpompen hebben gewijzigd en een computationele strategie hebben ontwikkeld om het depositiepad te optimaliseren om de uitdagingen van de opstelling aan te pakken. Het monster vervaardigd met behulp van het voor gradiënt geoptimaliseerde pad vertoonde direct na afzetting een hoger materiaalcontrast. Het team heeft de gradiënten op lokale en mondiale schaal afgestemd met behulp van de ontwikkelde strategieën. Ze stemden de lokale stijfheid af op de Young's-modulus van het materiaal om de materiaalverdeling te regelen en de vervorming van objecten te beïnvloeden. Bijvoorbeeld, Giachini et al. de materialen onderworpen aan externe krachten om duidelijk vervormingsgedrag te bereiken door stijfheid langs specifieke richtingen of patronen te verdelen.

Door externe kracht te gebruiken om de uiteindelijke vorm van een aanvankelijk vlak object te genereren, kunnen ontwerpers gebruik maken van vereenvoudigde 2D-productiestrategieën en complexe 3D-processen vermijden. De methode zal toepassingen hebben in industriële productontwerpen, architecturale ontwerpsystemen die het elastisch buigen van vlakke objecten onderzoeken om vorm en structurele integriteit te bereiken en bij het ontwikkelen van compliant mechanismen en zachte robotica. Het team valideerde hun experimentele waarnemingen met behulp van een simulatie, die het fysieke prototype weerspiegelde, feedback geven over de verdeling van spanningen in het vervormde monster.

Op deze manier, Pedro AGS Giachini en collega's combineerden materiaaltechnologie en digitale verwerking om materiaalmenging en -afzetting te regelen om afstembare, visco-elastische materialen met continue, contrastrijke en multidirectionele stijfheidsgradiënten. Ze hebben een methode ontwikkeld om een ​​basisoplossing te ontwikkelen tot een catalogus van op fluïde cellulose gebaseerde materialen die mechanische en reologische eigenschappen van de wijk bevatten om een ​​fysieke basis te bieden voor stijfheidsgradiënten. Dankzij de flexibiliteit van de methode kon het team schaalbare en aanpasbare processen aanpassen die kunnen worden toegepast op een verscheidenheid aan gradiëntfabricageprocessen. De ontwikkelde methode zal verder worden geoptimaliseerd om beperkingen te overwinnen en het bestaande potentieel om 2D- of 2,5-D-objecten te printen en volledig gevormde 3D-objecten met interne functionele eigenschapsgradiënten te creëren.

© 2020 Wetenschap X Netwerk