Funktionellt graderade material (FGM) tillåter olika tillämpningar inom tvärvetenskapliga områden från biomedicin till arkitektur. Dock, deras tillverkning kan vara tråkig i förhållande till gradientkontinuitet, gränssnittsböjning och riktningsfrihet. De flesta kommersiella designprogramvaror innehåller inte fastighetsgradientdata - vilket hindrar utforskningen av designutrymme som lämpar sig för könsstympning. I en ny rapport om Vetenskapliga framsteg , Pedro A.G.S. Giachini och ett forskarteam inom arkitektur och stadsplanering, fysisk intelligens och medicin, i USA., Tyskland och Turkiet utformade ett kombinerat tillvägagångssätt för materialteknik och digital bearbetning. Metoden underlättade extruderingsbaserat multimaterial, additiv tillverkning av cellulosabaserad, avstämbara viskoelastiska material.

Konstruktionerna bibehölls kontinuerligt, högkontrast och flerdimensionella styvhetsgradienter. Giachini et al. etablerat en metod för att konstruera uppsättningar av cellulosabaserade material med liknande sammansättningar, men med tydliga mekaniska och reologiska egenskaper. Teamet utvecklade också parallellt ett digitalt arbetsflöde för att bädda in gradientinformation i designmodeller med integrerad tillverkningsvägsplanering. Teamet kombinerade de fysiska och digitala verktygen för att uppnå liknande styvhetsgradienter genom flera vägar för att uppnå öppna designmöjligheter som tidigare var begränsade till styv koppling av material och geometri.

Funktionellt graderade material (FGM) kan gradvis ändra sammansättning eller struktur i en kontinuerlig, stegvis för att ge upphov till förändrade egenskaper hos en komposit. Principerna för materialdesign liknar många naturligt förekommande substrat, byggd för att uppfylla flera, ibland motstridiga designkrav inom olika områden inklusive tunnfilmsbeläggningar, biomedicinsk teknik och arkitektur. FGM kan bättre fördela stress vid gränssnitt, programmera deformation av mjuka ställdon och påverka cellmigreringshastigheten.

Giachini et al. kombinerad materialteknik och digital bearbetning som en FGM -tillverkningsmetod för konstruktiva och masstransportprocesser för att skapa kontinuerliga stigningar. De uppnådde detta genom att konstruera lösningar av ett cellulosaderivat för att ge avstämbara viskoelastiska egenskaper med kontrollerad extrudering, medan du använder det digitala arbetsflödet för att bädda in gradientinformation i konstruktionerna och generera en anpassad G-kod för att styra operativsystemet [tredimensionella (3-D) skrivare och sprutpumpar]. Teamet använde filament av olika kompositioner och tvärsnitt för att underlätta molekylära diffusioner över filamentgränser och skapa kontinuerliga gradienter. De lyfte fram relevansen av att kombinera materialteknik med anpassad tillverkningsteknik och ett miljövänligt och rikligt biopolymerbaserat tillverkningsmaterial. Genom att designa sådana fysiska och digitala verktyg, teamet kommer att kunna skapa flerdimensionella och kontinuerliga styvhetsgradienter via en mängd olika metoder för att utöka designmöjligheterna för kvinnlig könsstyvhet.

Giachini et al. utvald hydroxyetylcellulosa (HEC); ett förtjockande och gelande derivat av cellulosa som basmaterial, på grund av dess giftfria, biologiskt nedbrytbar och miljövänlig konstitution. Gelningspunkten för HEC inträffade vid 96 minuter, övergång från en vattenlösning till en fast hydrogel. Forskarna optimerade lösningens parametrar för att minimera hastigheten för lösningens viskositet. När de tillsatte citronsyra (CA) till lösningen, gelningshastigheten bromsades mest för tillfredsställande extruderingskonsistens. Teamet karakteriserade sedan det tryckta materialet för att förstå effekten av tillsatser, där tillsatsen av lignin signifikant ökade styvheten och draghållfastheten, medan införandet av CA minskade dessa mekaniska egenskaper. De kombinerade lignin- och CA-differentierade lösningarna gav en mängd olika mekaniska egenskaper för att skriva ut objekt med egenskapsgradienter. Teamet noterade sedan en minskning i styvhet och ökning i storlek och vikt av utskrivna prover med ökande relativ fuktighet, som de utforskade för tillämpningar som involverade formförändrande strukturer.

Under arbetsflödet från design till tillverkning, laget kombinerade geometriska modeller med gradientdata för att skapa FGM -data och generera en tillverkningskod. Som en plattform för detta arbetsflöde, de använde gräshoppa; ett visuellt programmeringsgränssnitt inbäddat i 3D-modelleringsprogramvaran Rhinoceros 3-D. Teamet varierade tillverkningsparametrarna för att skapa de graderade objekten av intresse genom att överlagra lager, variera mängden av materialet och dess sammansättning.

Materialens flytbarhet med lägre viskositet gav objektkontinuitet, medan mer viskösa blandningar diskret förändrade styvheten. Diffusionen mellan kontrasterande material garanterade kontinuitet mellan skikten för att skapa kontinuerliga och smidiga materialark med mönstrade förstärkningar. Deponeringshastigheten berodde på sprutpumparnas extruderingshastighet och hastigheten på skrivarens munstycke. Giachini et al. bäddade in dessa tillverkningsparametrar i geometriska data och översatte data till tillverkningskommandon för att koordinera distributionen av material, utforska materialflöde och tillåta lika deponeringsvägar att tillverka objekt med varierad geometrisk styvhet.

De designade data för blandningsförhållanden, för översättning till tillverkningskoder som modifierade extruderingshastigheten för sprutpumparna och utvecklade en beräkningsstrategi för att optimera avsättningsvägen för att möta utmaningarna med installationen. Provet tillverkat med hjälp av den gradientoptimerade banan visade högre materialkontrast omedelbart efter avsättning. Teamet justerade gradienterna på lokal och global skala med hjälp av de utvecklade strategierna. De avstämde den lokala styvheten enligt materialets Youngs modul för att kontrollera materialfördelning och påverka objektdeformation. Till exempel, Giachini et al. utsatt materialet för yttre krafter för att uppnå distinkta deformationsbeteenden genom att fördela styvhet längs specifika riktningar eller mönster.

Tillvägagångssättet att använda extern kraft för att generera den slutliga formen av ett initialt platt objekt kommer att tillåta designers att utnyttja förenklade 2D-tillverkningsstrategier och undvika komplexa 3D-processer. Metoden kommer att ha tillämpningar inom industriella produktdesigner, arkitektoniska designsystem som utforskar elastisk böjning av plana föremål för att uppnå form och strukturell integritet och för att utveckla kompatibla mekanismer och mjuk robotik. Teamet validerade sina experimentella observationer med hjälp av en simulering, som speglade den fysiska prototypen, ge feedback om fördelningen av spänningar i det deformerade provet.

På det här sättet, Pedro A.G.S. Giachini och kollegor kombinerade materialteknik och digital bearbetning för att kontrollera materialblandning och avsättning för att extrudera avstämbar, viskoelastiska material med kontinuerlig, högkontrast och multiriktningsstyvhetsgradienter. De etablerade en metod för att konstruera en baslösning i en katalog med fluidiska cellulosabaserade material som innehåller distriktsmekaniska och reologiska egenskaper för att ge en fysisk grund för styvhetsgradienter. Metodens flexibilitet gjorde att laget kunde anpassa skalbara och anpassningsbara processer som kan tillämpas på en mängd olika gradienttillverkningsprocesser. Den utvecklade metoden kommer att optimeras ytterligare för att övervinna begränsningar och driva den befintliga potentialen att skriva ut 2-D eller 2,5-D-objekt och skapa fullformade 3D-objekt med interna funktionsegenskapsgradienter.

© 2020 Science X Network