Produzione additiva della cellulosa

Funzionalità del 9 marzo 2020

di Thamarasee Jeewandara, Phys.org

I materiali funzionalmente classificati (FGM) consentono diverse applicazioni in campi multidisciplinari, dalla biomedicina all'architettura. Tuttavia, la loro fabbricazione può essere noiosa rispetto alla continuità del gradiente, alla flessione interfacciale e alla libertà direzionale. La maggior parte dei software di progettazione commerciale non include dati sul gradiente delle proprietà, il che ostacola l’esplorazione dello spazio di progettazione adatto alle MGF. In un nuovo rapporto su Science Advances, Pedro AGS Giachini e un gruppo di ricerca in architettura e pianificazione urbana, intelligenza fisica e medicina, negli Stati Uniti, in Germania e in Turchia hanno progettato un approccio combinato di ingegneria dei materiali ed elaborazione digitale. Il metodo ha facilitato la produzione additiva multimateriale basata sull'estrusione di materiali viscoelastici sintonizzabili a base di cellulosa.

Le strutture hanno mantenuto gradienti di rigidità continui, ad alto contrasto e multidimensionali. Giachini et al. stabilito un metodo per progettare set di materiali a base di cellulosa con composizioni simili, ma con proprietà meccaniche e reologiche distinte. Il team ha inoltre sviluppato parallelamente un flusso di lavoro digitale per incorporare informazioni sui gradienti nei modelli di progettazione con pianificazione integrata del percorso di fabbricazione. Il team ha combinato gli strumenti fisici e digitali per ottenere gradienti di rigidità simili attraverso molteplici percorsi per ottenere possibilità di progettazione aperte che in precedenza erano limitate all’accoppiamento rigido di materiale e geometria.

I materiali funzionalmente classificati (FGM) possono modificare gradualmente la composizione o la struttura in modo continuo e graduale per dare origine a proprietà mutevoli di un composito. I principi di progettazione dei materiali sono simili a quelli di molti substrati presenti in natura, costruiti per soddisfare molteplici requisiti di progettazione, a volte contrastanti, in diversi campi, tra cui rivestimenti a film sottile, ingegneria biomedica e architettura. Le MGF possono distribuire meglio lo stress alle interfacce, programmare la deformazione degli attuatori morbidi e influenzare la velocità della migrazione cellulare.

Giachini et al. combinazione di ingegneria dei materiali ed elaborazione digitale come metodo di produzione FGM per processi costruttivi e di trasporto di massa per creare gradienti continui. Hanno raggiunto questo obiettivo ingegnerizzando soluzioni di un derivato della cellulosa per fornire proprietà viscoelastiche regolabili con estrusione controllata, utilizzando al tempo stesso il flusso di lavoro digitale per incorporare informazioni sul gradiente nei progetti e generare un codice G personalizzato per controllare il sistema operativo [tridimensionale (3- D) stampante e pompe a siringa]. Il team ha utilizzato filamenti di varie composizioni e sezioni trasversali per facilitare le diffusioni molecolari attraverso i confini dei filamenti e creare gradienti continui. Hanno evidenziato l’importanza di combinare l’ingegneria dei materiali con tecnologie di produzione personalizzate e un materiale di fabbricazione abbondante e rispettoso dell’ambiente basato su biopolimeri. Progettando tali strumenti fisici e digitali, il team sarà in grado di creare gradienti di rigidità multidimensionali e continui attraverso una varietà di metodi per espandere le possibilità di progettazione per le MGF.

Giachini et al. idrossietilcellulosa selezionata (HEC); un derivato addensante e gelificante della cellulosa come materiale di base, grazie alla sua costituzione atossica, biodegradabile e rispettosa dell'ambiente. Il punto di gelificazione dell'HEC si è verificato a 96 minuti, passando da una soluzione acquosa a un idrogel solido. Gli scienziati hanno ottimizzato i parametri della soluzione per ridurre al minimo il tasso di viscosità della soluzione. Quando hanno aggiunto acido citrico (CA) alla soluzione, la velocità di gelificazione è rallentata maggiormente per ottenere una consistenza di estrusione soddisfacente. Il team ha poi caratterizzato il materiale stampato per comprendere l’effetto degli additivi, dove l’aggiunta di lignina ha aumentato significativamente la rigidità e la resistenza alla trazione, mentre l’inclusione di CA ha diminuito queste proprietà meccaniche. Le soluzioni combinate differenziate di lignina e CA hanno fornito una varietà di proprietà meccaniche per stampare oggetti con gradienti di proprietà. Il team ha poi notato una diminuzione della rigidità e un aumento delle dimensioni e del peso dei campioni stampati con l’aumento dell’umidità relativa, che hanno esplorato per applicazioni che coinvolgevano strutture che cambiano forma.