Produzione additiva di materiali a base di cellulosa con gradienti di rigidità multidirezionali continui

Un team di ricercatori dell’Università di Stoccarda , dell’Università della Virginia e dell’Università Koc di Istanbul, hanno parti multimateriali stampate in 3D con gradienti di rigidità multidirezionali. Combinando la loro esperienza nell’ingegneria dei materiali e nell’elaborazione digitale, i ricercatori sono stati in grado di creare set di filamenti a base di cellulosa con proprietà meccaniche e reologiche diverse, pur avendo composizioni simili. I materiali sono stati quindi utilizzati insieme per programmare profili di deformazione specifici in parti complesse.

I materiali a classificazione funzionale (MGF) hanno una composizione o una struttura che cambiano gradualmente – questo può essere continuo o graduale. La modifica graduale si traduce in un “gradiente di proprietà”, in base al quale una o più proprietà specifiche cambiano in relazione alla composizione o alla struttura. Vediamo MGF in natura per tutto il tempo, in tutta una serie di organismi. La concentrazione e la distribuzione di una specifica cellula funzionale o tipo di materiale avranno una forte influenza sulla funzionalità della posizione in cui si trova.

Nella scienza e nell’ingegneria, le MGF sono utili nei rivestimenti a film sottile, nelle applicazioni biomediche e nell’architettura. Una classe specifica di MGF, come quelle di cui si occupa questo studio, presenta vari gradi di rigidità. Sono generalmente utilizzati per distribuire le sollecitazioni sulle interfacce, programmare i profili di deformazione negli attuatori morbidi e influenzare la velocità di migrazione delle cellule. La fabbricazione di MGF ha le sue sfide, tuttavia, poiché la continuità del gradiente e la libertà direzionale sono difficili da ottenere con la tecnologia odierna.

MGF a base di cellulosa con stampa 3D

Con l’obiettivo di sviluppare un nuovo metodo di stampa 3D di materiali viscoelastici sintonizzabili con gradienti di rigidità multidirezionali continui, il team ha iniziato a lavorare. L’idrossipetilcellulosa (HEC) è stata scelta come materiale di base per la sua natura ecologica. I ricercatori hanno aggiunto acido citrico e trasformato la soluzione acquosa in un idrogel solido in modo che potesse essere estruso. Hanno anche scoperto che l’aggiunta di lignina ha aumentato significativamente la rigidità e la resistenza alla trazione dell’idrogel. Le combinazioni di lignina e acido citrico sono state usate come additivi per ottenere una gamma di proprietà meccaniche e sono state stampate una serie di parti del campione, tutte con gradienti di proprietà variabili.

È stato quindi generato un codice G personalizzato appositamente progettato per creare un profilo di rigidità preciso in ogni parte. Con un’estrusione attentamente controllata, il team ha incorporato le informazioni sul gradiente nei progetti effettivi delle parti. Una volta stampati, i campioni potrebbero essere deformati in profili unici a causa della variazione della rigidità attraverso la geometria delle parti. Alla fine, i ricercatori avevano “programmato” un insieme di geometrie di deformazione desiderate in ciascuno dei campioni.

Campioni con una deformazione programmabile a seguito di una variazione di rigidità. Immagine tramite l’Università di Stoccarda.
Campioni con una deformazione programmabile a seguito di una variazione di rigidità. Immagine tramite l’Università di Stoccarda.
Ulteriori dettagli dello studio sono disponibili nell’articolo intitolato ” Produzione additiva di materiali a base di cellulosa con gradienti di rigidità multidirezionali continui “. È co-autore di PAGS Giachini, SS Gupta, W. Wang, D. Wood, M. Yunusa, E. Baharlou, M. Sitti e A. Menges.

È in corso un flusso di ricerca sui materiali di stampa 3D, in particolare i filamenti da utilizzare con AM a base di estrusione. All’inizio di quest’anno, in Slovacchia, i ricercatori hanno sviluppato una serie di nuovi materiali ibridi a basso costo per FFF. Hanno rinforzato il filamento di PETG con grafite espansa e fibra di carbonio per migliorarne le proprietà meccaniche e termiche, definendolo “estremamente resistente”. Altrove, in Grecia, i ricercatori hanno determinato gli effetti del riciclaggio sulle proprietà meccaniche del filamento di ABS .

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