I materiali a classificazione funzionale (MGF) consentono diverse applicazioni in campi multidisciplinari, dalla biomedicina all'architettura. Però, la loro fabbricazione può essere noiosa rispetto alla continuità del gradiente, flessione interfacciale e libertà direzionale. La maggior parte dei software di progettazione commerciale non include dati sui gradienti di proprietà, ostacolando l'esplorazione dello spazio di progettazione adatto per le MGF. In un nuovo rapporto su Progressi scientifici , Pedro A.G.S. Giachini e un gruppo di ricerca in architettura e urbanistica, intelligenza fisica e medicina, negli Stati Uniti., Germania e Turchia hanno progettato un approccio combinato di ingegneria dei materiali ed elaborazione digitale. Il metodo ha facilitato il multimateriale basato sull'estrusione, produzione additiva di prodotti a base di cellulosa, materiali viscoelastici sintonizzabili.

I costrutti mantenuti continui, gradienti di rigidità multidimensionali e ad alto contrasto. 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 anche sviluppato parallelamente un flusso di lavoro digitale per incorporare le informazioni sui gradienti nei modelli di progettazione con pianificazione del percorso di fabbricazione integrata. Il team ha combinato gli strumenti fisici e digitali per ottenere gradienti di rigidità simili attraverso più percorsi per ottenere possibilità di progettazione aperte che in precedenza erano limitate all'accoppiamento rigido di materiale e geometria.

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

Giachini et al. ingegneria dei materiali combinata e elaborazione digitale come metodo di produzione MGF 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, mentre si utilizza il flusso di lavoro digitale per incorporare le informazioni sui gradienti nei progetti e generare un codice G personalizzato per controllare il sistema operativo [stampante tridimensionale (3D) 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 a base di biopolimeri ecocompatibile e abbondante. Progettando tali strumenti fisici e digitali, il team sarà in grado di creare gradienti di rigidità multidimensionali e continui tramite 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 atossico, costituzione biodegradabile e rispettosa dell'ambiente. Il punto di gelificazione di HEC si è verificato a 96 minuti, passaggio 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 stata maggiormente rallentata per una consistenza di estrusione soddisfacente. Il team ha quindi 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 quindi 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 coinvolgono strutture che cambiano forma.

Durante il flusso di lavoro dalla progettazione alla fabbricazione, il team ha combinato modelli geometrici con dati sui gradienti per creare dati FGM e generare un codice di fabbricazione. Come piattaforma per questo flusso di lavoro, hanno usato Grasshopper; un'interfaccia di programmazione visiva incorporata nel software di modellazione 3D Rhinoceros 3-D. Il team ha variato i parametri di fabbricazione per creare gli oggetti graduati di interesse sovrapponendo strati, variando la quantità del materiale e la sua composizione.

La fluidità dei materiali a minore viscosità forniva continuità all'oggetto, mentre miscele più viscose ne alteravano discretamente la rigidità. La diffusione tra materiali a contrasto ha garantito la continuità tra gli strati per creare fogli di materiale continui e pieghevoli con rinforzi a motivi geometrici. La velocità di deposizione dipendeva dalla velocità di estrusione delle pompe a siringa e dalla velocità dell'ugello della stampante. Giachini et al. incorporato questi parametri di fabbricazione nei dati geometrici e tradotto i dati in comandi di fabbricazione per coordinare la distribuzione del materiale, esplorare il flusso di materiale e consentire percorsi di deposizione uguali per produrre oggetti con varia rigidità geometrica.

Hanno progettato i dati dei rapporti di miscelazione, per la traduzione in codici di fabbricazione che hanno modificato la velocità di estrusione delle pompe a siringa e sviluppato una strategia computazionale per ottimizzare il percorso di deposizione per affrontare le sfide della configurazione. Il campione fabbricato utilizzando il percorso ottimizzato per gradiente ha mostrato un contrasto di materiale più elevato subito dopo la deposizione. Il team ha messo a punto i gradienti su scala locale e globale utilizzando le strategie sviluppate. Hanno regolato la rigidità locale in base al modulo di Young del materiale per controllare la distribuzione del materiale e influenzare la deformazione dell'oggetto. Per esempio, Giachini et al. sottoponeva i materiali a forze esterne per ottenere comportamenti di deformazione distinti distribuendo la rigidità lungo direzioni o schemi specifici.

L'approccio di utilizzare la forza esterna per generare la forma finale di un oggetto inizialmente piatto consentirà ai progettisti di sfruttare strategie di produzione 2D semplificate ed evitare processi 3D complessi. Il metodo avrà applicazioni nella progettazione di prodotti industriali, sistemi di progettazione architettonica che esplorano la flessione elastica di oggetti planari per ottenere forma e integrità strutturale e nello sviluppo di meccanismi conformi e robotica morbida. Il team ha convalidato le proprie osservazioni sperimentali utilizzando una simulazione, che rispecchiava il prototipo fisico, fornendo feedback sulla distribuzione delle sollecitazioni nel campione deformato.

In questo modo, Pedro A.G.S. Giachini e colleghi hanno combinato l'ingegneria dei materiali e l'elaborazione digitale per controllare la miscelazione dei materiali e la deposizione per estrudere sintonizzabili, materiali viscoelastici con continuo, gradienti di rigidità ad alto contrasto e multidirezionali. Hanno stabilito un metodo per progettare una soluzione di base in un catalogo di materiali fluidi a base di cellulosa contenenti proprietà meccaniche e reologiche distrettuali per fornire una base fisica per i gradienti di rigidità. La flessibilità del metodo ha permesso al team di adattare processi scalabili e adattabili che possono essere applicati a una varietà di processi di fabbricazione del gradiente. Il metodo sviluppato sarà ulteriormente ottimizzato per superare i limiti e spingere il potenziale esistente per stampare oggetti 2-D o 2.5-D e creare oggetti 3-D completamente formati con gradienti di proprietà funzionali interne.

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