Additive Fertigung von Zellulose

Feature vom 9. März 2020

von Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Funktional abgestufte Materialien (FGM) ermöglichen vielfältige Anwendungen in multidisziplinären Bereichen von der Biomedizin bis zur Architektur. Ihre Herstellung kann jedoch im Hinblick auf die Gradientenkontinuität, die Grenzflächenbiegung und die Richtungsfreiheit mühsam sein. Die meisten kommerziellen Designprogramme enthalten keine Daten zum Eigenschaftsgradienten, was die Erkundung des für FGMs geeigneten Designraums erschwert. In einem neuen Bericht über Science Advances haben Pedro AGS Giachini und ein Forschungsteam in den Bereichen Architektur und Stadtplanung, physische Intelligenz und Medizin in den USA, Deutschland und der Türkei einen kombinierten Ansatz aus Materialtechnik und digitaler Verarbeitung entworfen. Die Methode ermöglichte die extrusionsbasierte Multimaterial-Additive-Herstellung von zellulosebasierten, abstimmbaren viskoelastischen Materialien.

Die Konstrukte behielten kontinuierliche, kontrastreiche und mehrdimensionale Steifigkeitsgradienten bei. Giachini et al. etablierte eine Methode zur Entwicklung von Sätzen zellulosebasierter Materialien mit ähnlicher Zusammensetzung, jedoch unterschiedlichen mechanischen und rheologischen Eigenschaften. Parallel dazu entwickelte das Team auch einen digitalen Workflow zur Einbettung von Gradienteninformationen in Designmodelle mit integrierter Fertigungspfadplanung. Das Team kombinierte die physischen und digitalen Werkzeuge, um über mehrere Wege ähnliche Steifigkeitsgradienten zu erreichen und so offene Designmöglichkeiten zu schaffen, die zuvor auf die starre Kopplung von Material und Geometrie beschränkt waren.

Funktional abgestufte Materialien (FGMs) können ihre Zusammensetzung oder Struktur kontinuierlich und schrittweise ändern, um zu sich ändernden Eigenschaften eines Verbundwerkstoffs zu führen. Die Prinzipien des Materialdesigns ähneln denen vieler natürlich vorkommender Substrate, die so konstruiert sind, dass sie vielfältige, manchmal widersprüchliche Designanforderungen in verschiedenen Bereichen erfüllen, darunter Dünnfilmbeschichtungen, biomedizinische Technik und Architektur. Die FGMs können Spannungen an Grenzflächen besser verteilen, die Verformung weicher Aktuatoren programmieren und die Geschwindigkeit der Zellmigration beeinflussen.

Giachini et al. kombinierte Werkstofftechnik und digitale Verarbeitung als FGM-Fertigungsmethode für konstruktive und Massentransportprozesse zur Schaffung kontinuierlicher Gradienten. Dies erreichten sie, indem sie Lösungen für ein Cellulosederivat entwickelten, um einstellbare viskoelastische Eigenschaften mit kontrollierter Extrusion bereitzustellen, während sie gleichzeitig den digitalen Workflow nutzten, um Gradienteninformationen in die Designs einzubetten und einen benutzerdefinierten G-Code zur Steuerung des Betriebssystems zu generieren [dreidimensionale (3- D) Drucker- und Spritzenpumpen]. Das Team verwendete Filamente unterschiedlicher Zusammensetzung und Querschnitte, um molekulare Diffusionen über Filamentgrenzen hinweg zu erleichtern und kontinuierliche Gradienten zu erzeugen. Sie betonten die Relevanz der Kombination von Werkstofftechnik mit kundenspezifischen Fertigungstechnologien und einem umweltfreundlichen und reichlich vorhandenen Fertigungsmaterial auf Biopolymerbasis. Durch die Entwicklung solcher physischer und digitaler Werkzeuge wird das Team in der Lage sein, mithilfe verschiedener Methoden mehrdimensionale und kontinuierliche Steifigkeitsgradienten zu erzeugen, um die Designmöglichkeiten für FGMs zu erweitern.

Giachini et al. ausgewählte Hydroxyethylcellulose (HEC); Aufgrund seiner ungiftigen, biologisch abbaubaren und umweltfreundlichen Beschaffenheit ist es ein verdickendes und gelierendes Derivat von Zellulose als Grundmaterial. Der Gelierungspunkt von HEC lag bei 96 Minuten und der Übergang von einer wässrigen Lösung zu einem festen Hydrogel. Die Wissenschaftler optimierten die Lösungsparameter, um die Geschwindigkeit der Lösungsviskosität zu minimieren. Wenn sie der Lösung Zitronensäure (CA) hinzufügten, verlangsamte sich die Gelierungsrate am meisten und sorgte so für eine zufriedenstellende Extrusionskonsistenz. Anschließend charakterisierte das Team das gedruckte Material, um die Wirkung von Zusatzstoffen zu verstehen, wobei der Zusatz von Lignin die Steifigkeit und Zugfestigkeit deutlich erhöhte, während der Zusatz von CA diese mechanischen Eigenschaften verringerte. Die kombinierten Lignin- und CA-differenzierten Lösungen lieferten eine Vielzahl mechanischer Eigenschaften zum Drucken von Objekten mit Eigenschaftsgradienten. Anschließend stellte das Team eine Abnahme der Steifigkeit sowie eine Zunahme von Größe und Gewicht der gedruckten Proben mit zunehmender relativer Luftfeuchtigkeit fest und untersuchte dies für Anwendungen mit formverändernden Strukturen.

Während des Workflows vom Design bis zur Fertigung kombinierte das Team geometrische Modelle mit Verlaufsdaten, um FGM-Daten zu erstellen und einen Fertigungscode zu generieren. Als Plattform für diesen Workflow verwendeten sie Grasshopper; eine visuelle Programmierschnittstelle, die in die 3D-Modellierungssoftware Rhinoceros 3-D eingebettet ist. Das Team variierte die Herstellungsparameter, um die abgestuften Objekte von Interesse zu schaffen, indem es Schichten übereinander legte und dabei die Menge des Materials und seine Zusammensetzung variierte.

Die Fließfähigkeit von Materialien mit niedrigerer Viskosität sorgte für die Kontinuität des Objekts, während viskosere Mischungen die Steifigkeit diskret veränderten. Die Diffusion kontrastierender Materialien gewährleistete die Kontinuität zwischen den Schichten, um durchgehende und biegsame Materialschichten mit gemusterten Verstärkungen zu schaffen. Die Abscheidungsrate hing von der Extrusionsrate der Spritzenpumpen und der Geschwindigkeit der Druckerdüse ab. Giachini et al. bettete diese Fertigungsparameter in die geometrischen Daten ein und übersetzte die Daten in Fertigungsbefehle, um die Materialverteilung zu koordinieren, den Materialfluss zu untersuchen und gleiche Ablagerungspfade zu ermöglichen, um Objekte mit unterschiedlicher geometrischer Steifigkeit herzustellen.

Sie entwarfen Daten zu Mischungsverhältnissen zur Umsetzung in Fertigungscodes, die die Extrusionsrate der Spritzenpumpen veränderten, und entwickelten eine rechnerische Strategie zur Optimierung des Abscheidungswegs, um den Herausforderungen des Aufbaus gerecht zu werden. Die mit dem Gradienten-optimierten Pfad hergestellte Probe zeigte unmittelbar nach der Abscheidung einen höheren Materialkontrast. Mithilfe der entwickelten Strategien stimmte das Team die Gradienten auf lokaler und globaler Ebene ab. Sie stimmten die lokale Steifigkeit entsprechend dem Elastizitätsmodul des Materials ab, um die Materialverteilung zu steuern und die Objektverformung zu beeinflussen. Beispielsweise haben Giachini et al. setzten die Materialien äußeren Kräften aus, um durch die Verteilung der Steifigkeit entlang bestimmter Richtungen oder Muster ein bestimmtes Verformungsverhalten zu erreichen.

Der Ansatz, externe Kräfte zu nutzen, um die endgültige Form eines zunächst flachen Objekts zu erzeugen, ermöglicht es Designern, vereinfachte 2D-Fertigungsstrategien zu nutzen und komplexe 3D-Prozesse zu vermeiden. Die Methode wird in industriellen Produktdesigns, architektonischen Designsystemen, die die elastische Biegung planarer Objekte untersuchen, um Form und strukturelle Integrität zu erreichen, sowie in der Entwicklung nachgiebiger Mechanismen und Soft-Robotik Anwendung finden. Das Team validierte seine experimentellen Beobachtungen mithilfe einer Simulation, die den physischen Prototyp widerspiegelte und Feedback zur Spannungsverteilung in der verformten Probe lieferte.

Auf diese Weise kombinierten Pedro AGS Giachini und seine Kollegen Materialtechnik und digitale Verarbeitung, um die Materialmischung und -ablagerung zu steuern und abstimmbare, viskoelastische Materialien mit kontinuierlichen, kontrastreichen und multidirektionalen Steifigkeitsgradienten zu extrudieren. Sie entwickelten eine Methode, um eine Basislösung in einen Katalog von flüssigen Materialien auf Zellulosebasis zu integrieren, die regionale mechanische und rheologische Eigenschaften aufweisen, um eine physikalische Grundlage für Steifigkeitsgradienten zu schaffen. Die Flexibilität der Methode ermöglichte es dem Team, skalierbare und anpassbare Prozesse anzupassen, die auf eine Vielzahl von Gradientenherstellungsprozessen angewendet werden können. Die entwickelte Methode wird weiter optimiert, um Einschränkungen zu überwinden und das vorhandene Potenzial zum Drucken von 2D- oder 2,5D-Objekten und zur Erstellung vollständig geformter 3D-Objekte mit internen funktionalen Eigenschaftsgradienten auszuschöpfen.

Mehr Informationen: PAGS Giachini et al. Additive Fertigung zellulosebasierter Materialien mit kontinuierlichen, multidirektionalen Steifigkeitsgradienten, Science Advances (2020). DOI: 10.1126/sciadv.aay0929

Daniela Rus et al. Design, Herstellung und Steuerung von Soft-Robotern, Nature (2015). DOI: 10.1038/nature14543

Falguni Pati et al. Biomimetischer 3D-Gewebedruck zur Weichgeweberegeneration, Biomaterials (2015). DOI: 10.1016/j.biomaterials.2015.05.043

Zeitschrifteninformationen:Wissenschaftliche Fortschritte, Natur, Biomaterialien

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