セルロースの積層造形

2020年3月9日の特集

Thamarasee Jeewandara、Phys.org 著

傾斜機能材料 (FGM) は、生物医学から建築まで学際的な分野での多様な応用を可能にします。 ただし、その製造は、勾配の連続性、界面の曲がり、方向の自由度の点で面倒な場合があります。 ほとんどの商用設計ソフトウェアには特性勾配データが含まれていないため、FGM に適した設計空間の探索が妨げられています。 Science Advances に関する新しいレポートの中で、Pedro AGS Giachini と米国、ドイツ、トルコの建築と都市計画、物理的知能、医学の研究チームは、材料工学とデジタル処理を組み合わせたアプローチを設計しました。 この方法により、押出ベースのマルチマテリアル、セルロースベースの調整可能な粘弾性材料の積層造形が容易になりました。

この構造は、連続的で高コントラストの多次元剛性勾配を維持しました。 ジャキーニら。 は、同様の組成を持ちながらも、異なる機械的特性とレオロジー特性を備えたセルロースベースの材料のセットを設計する方法を確立しました。 チームは並行して、統合された製造パス計画を使用して勾配情報を設計モデルに埋め込むためのデジタル ワークフローも開発しました。 チームは物理ツールとデジタルツールを組み合わせて、複数の経路を通じて同様の剛性勾配を実現し、これまで材料と形状の剛結合に限定されていたオープンな設計の可能性を実現しました。

傾斜機能材料 (FGM) は、組成や構造を連続的かつ段階的に徐々に変化させ、複合材料の特性の変化を引き起こすことができます。 材料設計の原則は、薄膜コーティング、生体医用工学、建築などのさまざまな分野における複数の、時には相反する設計要件を満たすために構築される、多くの自然に存在する基板と似ています。 FGM は、界面での応力をより適切に分散し、ソフト アクチュエータの変形をプログラムし、細胞の移動速度に影響を与えることができます。

ジャキーニら。 連続勾配を作成するための建設的および大量輸送プロセスのための FGM 製造方法として、材料工学とデジタル処理を組み合わせたものです。 彼らは、デジタル ワークフローを使用して勾配情報を設計に埋め込み、操作システム [3 次元 (3- D) プリンターとシリンジポンプ]。 研究チームは、さまざまな組成と断面のフィラメントを使用して、フィラメントの境界を越える分子の拡散を促進し、連続的な勾配を作成しました。 彼らは、材料工学とカスタム製造技術、および環境に優しく豊富なバイオポリマーベースの製造材料を組み合わせることの関連性を強調しました。 このような物理的およびデジタルツールを設計することで、チームはさまざまな方法で多次元の連続的な剛性勾配を作成し、FGM の設計の可能性を拡大できるようになります。

ジャキーニら。 選択されたヒドロキシエチルセルロース (HEC); 基材としてのセルロースの増粘およびゲル化誘導体であり、無毒で生分解性があり、環境に優しい構成となっています。 HEC のゲル化点は 96 分で発生し、水溶液から固体ヒドロゲルに転移しました。 科学者たちは、溶液の粘度率を最小限に抑えるために溶液パラメータを最適化しました。 クエン酸 (CA) を溶液に添加すると、ゲル化速度が最も遅くなり、満足のいく押出一貫性が得られました。 次に、チームは添加剤の効果を理解するために印刷物の特性を調べました。リグニンの添加により剛性と引張強度が大幅に向上しましたが、CA の添加によりこれらの機械的特性が低下しました。 リグニンと CA で分化したソリューションを組み合わせることにより、特性勾配のあるオブジェクトを印刷するためのさまざまな機械的特性が得られました。 次にチームは、相対湿度の増加に伴って印刷サンプルの剛性が低下し、サイズと重量が増加することに気づき、形状変化構造を含む用途について調査しました。