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    Fabrication additive de matériaux à base de cellulose en continu, gradients de rigidité multidirectionnels

    Schémas du procédé de fabrication pour l'impression de dégradés continus. (A) Schéma de la préparation des solutions d'impression. L'hydroxyéthylcellulose (HEC) sous forme de poudre est dissoute dans de l'eau et mélangée à des additifs dans un bécher avant d'être transférée dans une seringue. (B) Schéma du système de contrôle et schémas du système d'impression 3D. Le schéma (à gauche) montre le flux de communication qui synchronise le système d'extrusion (I) et le système de positionnement (III) via une boucle de rétroaction. Le système d'impression 3D (à droite) se compose (I) d'un système d'extrusion (un ou deux pousse-seringues), (II) les réservoirs (seringues), et (III) un système de positionnement (imprimante 3D personnalisée à bas prix TEVO Tarantula i3). Les tubes de distribution (IV) sont équipés d'embouts d'extrusion et transportent les solutions d'impression et déposent les filaments des solutions sur la plate-forme d'impression (V). (C) Illustration montrant le mélange des filaments après dépôt. Les filaments voisins se fondent les uns dans les autres par diffusion à l'échelle moléculaire, créant ainsi des objets homogènes et des dégradés continus. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aay0929

    Les matériaux à grades fonctionnels (FGM) permettent diverses applications dans des domaines multidisciplinaires allant de la biomédecine à l'architecture. Cependant, leur fabrication peut être fastidieuse par rapport à la continuité du gradient, flexion interfaciale et liberté directionnelle. La plupart des logiciels de conception commerciaux n'incluent pas de données de gradient de propriété, ce qui entrave l'exploration de l'espace de conception adapté aux FGM. Dans un nouveau rapport sur Avancées scientifiques , Pedro A.G.S. Giachini et une équipe de recherche en architecture et urbanisme, intelligence physique et médecine, aux Etats-Unis., L'Allemagne et la Turquie ont conçu une approche combinée de l'ingénierie des matériaux et du traitement numérique. Le procédé a facilité l'extrusion multimatériau à base, fabrication additive à base de cellulose, matériaux viscoélastiques accordables.

    Les constructions maintenues continues, gradients de rigidité très contrastés et multidimensionnels. Giachini et al. a établi une méthode pour concevoir des ensembles de matériaux à base de cellulose avec des compositions similaires, mais avec des propriétés mécaniques et rhéologiques distinctes. L'équipe a également développé en parallèle un flux de travail numérique pour intégrer des informations de gradient dans des modèles de conception avec une planification intégrée du chemin de fabrication. L'équipe a combiné les outils physiques et numériques pour obtenir des gradients de rigidité similaires à travers de multiples voies pour obtenir des possibilités de conception ouvertes qui étaient auparavant limitées au couplage rigide du matériau et de la géométrie.

    Les matériaux à grades fonctionnels (FGM) peuvent changer progressivement de composition ou de structure de manière continue, étape par étape pour donner lieu à des propriétés changeantes d'un composite. Les principes de conception des matériaux sont similaires à de nombreux substrats naturels, construit pour répondre à plusieurs, parfois des exigences de conception contradictoires dans divers domaines, y compris les revêtements en couche mince, génie biomédical et architecture. Les FGM peuvent mieux répartir les contraintes aux interfaces, programmer la déformation des actionneurs souples et influencer la vitesse de migration cellulaire.

    Propriétés rhéologiques de la solution d'impression. (A) Un schéma sur la gauche montre la gélification de la solution d'impression à la suite de la liaison physique. Le tracé des modules de cisaillement en fonction du temps sur la droite montre le point de gélification se produisant à ~ 5800 s. Par convention, le point de gélification est défini comme le moment auquel le module de stockage G′ devient supérieur au module de perte G″ après la dissolution initiale des espèces HEC. (B) Un tracé montrant la dépendance du temps de gélification en fonction du pH des solutions d'impression. Le pH a été ajusté par l'ajout de quantités variables de CA. Les barres d'erreur indiquent l'écart-type de trois essais. L'intrigue révèle que le point de gélification le plus élevé, et donc la fenêtre de temps d'impression la plus longue, se produit à un pH d'environ 3,0. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aay0929

    Giachini et al. ingénierie des matériaux combinée et traitement numérique en tant que méthode de fabrication FGM pour les processus constructifs et de transport de masse afin de créer des gradients continus. Ils y sont parvenus en concevant des solutions d'un dérivé de la cellulose pour fournir des propriétés viscoélastiques ajustables avec une extrusion contrôlée, tout en utilisant le flux de travail numérique pour intégrer des informations de gradient dans les conceptions et générer un code G personnalisé pour contrôler le système opérationnel [imprimante tridimensionnelle (3-D) et pompes à seringue]. L'équipe a utilisé des filaments de compositions et de sections transversales variables pour faciliter les diffusions moléculaires à travers les limites des filaments et créer des gradients continus. Ils ont souligné la pertinence de combiner l'ingénierie des matériaux avec des technologies de fabrication sur mesure et un matériau de fabrication à base de biopolymère respectueux de l'environnement et abondant. En concevant de tels outils physiques et numériques, l'équipe sera en mesure de créer des gradients de rigidité multidimensionnels et continus via une variété de méthodes pour étendre les possibilités de conception des FGM.

    Giachini et al. hydroxyéthylcellulose sélectionnée (HEC); un dérivé épaississant et gélifiant de la cellulose comme matériau de base, en raison de sa non-toxicité, constitution biodégradable et respectueuse de l'environnement. Le point de gélification de HEC s'est produit à 96 minutes, passer d'une solution aqueuse à un hydrogel solide. Les scientifiques ont optimisé les paramètres de la solution pour minimiser le taux de viscosité de la solution. Lorsqu'ils ont ajouté de l'acide citrique (AC) à la solution, la vitesse de gélification a le plus ralenti pour une consistance d'extrusion satisfaisante. L'équipe a ensuite caractérisé le matériel imprimé pour comprendre l'effet des additifs, où l'ajout de lignine a considérablement augmenté la rigidité et la résistance à la traction, tandis que l'inclusion de CA a diminué ces propriétés mécaniques. Les solutions différenciées par lignine et CA combinées ont fourni une variété de propriétés mécaniques pour imprimer des objets avec des gradients de propriétés. L'équipe a ensuite noté une diminution de la rigidité et une augmentation de la taille et du poids des échantillons imprimés avec l'augmentation de l'humidité relative, qu'ils ont exploré pour des applications impliquant des structures à changement de forme.

    Biocompatibilité du matériau et sa dissolution dans l'eau. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aay0929

    Pendant le workflow de la conception à la fabrication, l'équipe a combiné des modèles géométriques avec des données de gradient pour créer des données FGM et générer un code de fabrication. En tant que plate-forme pour ce flux de travail, ils ont utilisé Grasshopper; une interface de programmation visuelle intégrée au logiciel de modélisation 3D Rhinoceros 3-D. L'équipe a varié les paramètres de fabrication pour créer les objets d'intérêt gradués en superposant des couches, varier la quantité de matière et sa composition.

    La fluidité des matériaux à faible viscosité a assuré la continuité de l'objet, tandis que des mélanges plus visqueux modifiaient discrètement la rigidité. La diffusion entre des matériaux contrastés garantissait la continuité des couches intermédiaires pour créer des feuilles de matériau continues et flexibles avec des renforts à motifs. La vitesse de dépôt dépendait de la vitesse d'extrusion des pousse-seringues et de la vitesse de la buse de l'imprimante. Giachini et al. intégré ces paramètres de fabrication dans les données géométriques et traduit les données en commandes de fabrication pour coordonner la distribution du matériau, explorez le flux de matériaux et autorisez des chemins de dépôt égaux pour fabriquer des objets avec une rigidité géométrique variée.

    Taux de dépôt réglable. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aay0929

    Ils ont conçu des données de rapports de mélange, pour la traduction en codes de fabrication qui ont modifié le taux d'extrusion des pompes à seringue et développé une stratégie de calcul pour optimiser le chemin de dépôt afin de relever les défis de la configuration. L'échantillon fabriqué en utilisant le chemin optimisé pour le gradient a montré un contraste de matériau plus élevé immédiatement après le dépôt. L'équipe a ajusté les gradients aux échelles locale et mondiale en utilisant les stratégies développées. Ils ont ajusté la rigidité locale en fonction du module de Young du matériau pour contrôler la distribution du matériau et influencer la déformation de l'objet. Par exemple, Giachini et al. soumis les matériaux à des forces externes pour obtenir des comportements de déformation distincts en répartissant la rigidité le long de directions ou de modèles spécifiques.

    L'approche consistant à utiliser une force externe pour générer la forme finale d'un objet initialement plat permettra aux concepteurs de tirer parti de stratégies de fabrication 2D simplifiées et d'éviter les processus 3D complexes. La méthode aura des applications dans les conceptions de produits industriels, des systèmes de conception architecturale qui explorent la flexion élastique d'objets plans pour obtenir l'intégrité de la forme et de la structure et dans le développement de mécanismes conformes et de robotique douce. L'équipe a validé ses observations expérimentales à l'aide d'une simulation, qui reflétait le prototype physique, fournir un retour sur la répartition des contraintes dans l'échantillon déformé.

    Échantillons montrant une déformation programmable due à une variation de rigidité à motifs. (A) Un schéma montrant les gradients de rigidité représentés par une image en niveaux de gris. Le mélange 1 contient 10 % en poids de mélange de base, et le mélange 2 contient 10 % en poids de mélange de base et 4 % en poids de CA. (B à E) De fines bandes de cellulose de taille identique ont été imprimées avec divers profils de gradient de rigidité sur toute leur longueur et présentent des profils de courbure différents lorsqu'elles sont soumises au même déplacement externe. (B) Photographie montrant qu'une rigidité homogène (pas de gradient) a entraîné un profil de courbure symétrique. (C) Photographie montrant que des régions discrètes du mélange le plus faible ont entraîné un comportement semblable à une charnière qui a déformé le profil de courbure de cette bande par rapport à la courbe symétrique non graduée. (D) Photographie montrant un gradient sinusoïdal progressif a entraîné un profil de courbure approchant un cercle. (E) Photographie montrant que la forme d'extrémité fermée souhaitée de cette bande a été obtenue grâce au gradient de rigidité imprimé, où les régions les plus faibles se pliaient plus facilement que les régions les plus rigides. (F et G) Série de photographies de feuilles souples classées qui transfèrent la charge dans le sens transversal à une grande déformation du corps dans le sens longitudinal pour un effet de pliage programmé. Ces comportements programmés identiques ont été obtenus par différentes méthodes, comme décrit dans la section "Modélisation et applications du gradient de rigidité". (F) Échantillon présentant une différenciation de rigidité géométrique grâce au placement directionnel de nervures de renforcement de section transversale plus élevée. (G) Échantillon présentant une différenciation du module E obtenue en utilisant un mélange de teneur en CA plus élevée dans les régions qui étaient censées se replier. (H) Un modèle de maillage numérique de la feuille présentée dans la partie (G). Une gradation fine des valeurs du module E a été appliquée pour approximer le gradient continu de la feuille. (I) Série d'instantanés de la simulation FEM qui a été développée pour prédire le comportement de pliage programmé sous une paire de forces appliquées, représenté par les flèches bleues (crédit photo :Sachin S. Gupta, Université de Stuttgart). Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aay0929

    De cette façon, Pedro A.G.S. Giachini et ses collègues ont combiné l'ingénierie des matériaux et le traitement numérique pour contrôler le mélange et le dépôt des matériaux afin d'extruder l'accordable, matériaux viscoélastiques avec continu, gradients de rigidité très contrastés et multidirectionnels. Ils ont établi une méthode pour concevoir une solution de base dans un catalogue de matériaux à base de cellulose fluidique contenant des propriétés mécaniques et rhéologiques de district pour fournir une base physique pour les gradients de rigidité. La flexibilité de la méthode a permis à l'équipe d'adapter des processus évolutifs et adaptables qui peuvent être appliqués à une variété de processus de fabrication de gradients. La méthode développée sera encore optimisée pour surmonter les limitations et pousser le potentiel existant pour imprimer des objets 2D ou 2,5D et créer des objets 3D entièrement formés avec des gradients de propriétés fonctionnelles internes.

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