Fabrication additive de cellulose

Article du 9 mars 2020

par Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Les matériaux fonctionnellement classés (FGM) permettent diverses applications dans des domaines multidisciplinaires allant de la biomédecine à l'architecture. Cependant, leur fabrication peut s'avérer fastidieuse en termes de continuité du gradient, de courbure interfaciale et de liberté directionnelle. La plupart des logiciels de conception commerciaux n'incluent pas de données sur les gradients de propriétés, ce qui entrave l'exploration de l'espace de conception adapté aux FGM. Dans un nouveau rapport sur les progrès scientifiques, Pedro AGS Giachini et une équipe de recherche en architecture et urbanisme, intelligence physique et médecine, aux États-Unis, en Allemagne et en Turquie, ont conçu une approche combinée de l'ingénierie des matériaux et du traitement numérique. Le procédé a facilité la fabrication additive multimatériaux par extrusion de matériaux viscoélastiques réglables à base de cellulose.

Les constructions ont maintenu des gradients de rigidité continus, à contraste élevé et multidimensionnels. Giachini et coll. 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 les informations de gradient dans les 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 via plusieurs voies afin d'obtenir des possibilités de conception ouvertes qui étaient auparavant limitées au couplage rigide du matériau et de la géométrie.

Les matériaux fonctionnellement classés (FGM) peuvent changer progressivement de composition ou de structure de manière continue et par étapes pour donner lieu à des propriétés changeantes d'un composite. Les principes de conception des matériaux sont similaires à ceux de nombreux substrats naturels, conçus pour répondre à des exigences de conception multiples, parfois contradictoires, dans divers domaines, notamment les revêtements en couches minces, l'ingénierie biomédicale et l'architecture. Les FGM peuvent mieux répartir les contraintes au niveau des interfaces, programmer la déformation des actionneurs souples et influencer la vitesse de migration cellulaire.

Giachini et coll. combine l'ingénierie des matériaux et le traitement numérique en tant que méthode de fabrication FGM pour les processus de construction et de transport de masse afin de créer des gradients continus. Ils ont accompli cela en concevant des solutions d'un dérivé de cellulose pour fournir des propriétés viscoélastiques réglables 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 [tridimensionnel (3- D) imprimante et pousse-seringues]. 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 personnalisées et un matériau de fabrication abondant et respectueux de l’environnement à base de biopolymères. En concevant de tels outils physiques et numériques, l'équipe sera en mesure de créer des gradients de rigidité multidimensionnels et continus via diverses méthodes afin d'élargir les possibilités de conception des FGM.

Giachini et coll. hydroxyéthylcellulose sélectionnée (HEC); un dérivé épaississant et gélifiant de la cellulose comme matériau de base, en raison de sa constitution non toxique, biodégradable et respectueuse de l'environnement. Le point de gélification de HEC s’est produit au bout de 96 minutes, passant 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 (CA) à la solution, c’est le taux de gélification qui a le plus ralenti pour une consistance d’extrusion satisfaisante. L'équipe a ensuite caractérisé le matériau 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 combinées différenciées en lignine et en CA ont fourni une variété de propriétés mécaniques pour imprimer des objets avec des dégradés 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 une humidité relative croissante, qu’ils ont explorée pour des applications impliquant des structures à changement de forme.