Fabricación aditiva de celulosa

Reportaje del 9 de marzo de 2020

por Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Los materiales clasificados funcionalmente (MGF) permiten diversas aplicaciones en campos multidisciplinarios, desde la biomedicina hasta la arquitectura. Sin embargo, su fabricación puede resultar tediosa en relación con la continuidad del gradiente, la flexión interfacial y la libertad direccional. La mayoría del software de diseño comercial no incluye datos de gradiente de propiedad, lo que dificulta la exploración de espacios de diseño adecuados para las mutilaciones genitales femeninas. En un nuevo informe sobre Avances Científicos, Pedro AGS Giachini y un equipo de investigación en arquitectura y planificación urbana, inteligencia física y medicina, en Estados Unidos, Alemania y Turquía diseñaron un enfoque combinado de ingeniería de materiales y procesamiento digital. El método facilitó la fabricación aditiva de materiales múltiples basada en extrusión de materiales viscoelásticos sintonizables a base de celulosa.

Las construcciones mantuvieron gradientes de rigidez continuos, de alto contraste y multidimensionales. Giachini et al. estableció un método para diseñar conjuntos de materiales a base de celulosa con composiciones similares, pero con propiedades mecánicas y reológicas distintas. Paralelamente, el equipo también desarrolló un flujo de trabajo digital para incorporar información de gradiente en modelos de diseño con planificación integrada de rutas de fabricación. El equipo combinó las herramientas físicas y digitales para lograr gradientes de rigidez similares a través de múltiples vías para lograr posibilidades de diseño abiertas que antes estaban limitadas al acoplamiento rígido de material y geometría.

Los materiales clasificados funcionalmente (MGF) pueden cambiar gradualmente su composición o estructura de manera continua y gradual para dar lugar a propiedades cambiantes de un compuesto. Los principios del diseño de materiales son similares a los de muchos sustratos naturales, construidos para cumplir múltiples requisitos de diseño, a veces contradictorios, en diversos campos, incluidos los recubrimientos de película delgada, la ingeniería biomédica y la arquitectura. Las MGF pueden distribuir mejor la tensión en las interfaces, programar la deformación de los actuadores blandos e influir en la velocidad de la migración celular.

Giachini et al. Combina la ingeniería de materiales y el procesamiento digital como método de fabricación de MGF para procesos constructivos y de transporte masivo para crear gradientes continuos. Lo lograron diseñando soluciones de un derivado de celulosa para proporcionar propiedades viscoelásticas ajustables con extrusión controlada, mientras usaban el flujo de trabajo digital para incorporar información de gradiente en los diseños y generar un código G personalizado para controlar el sistema operativo [tridimensional (3- D) bombas de impresora y jeringa]. El equipo utilizó filamentos de diferentes composiciones y secciones transversales para facilitar las difusiones moleculares a través de los límites de los filamentos y crear gradientes continuos. Destacaron la relevancia de combinar la ingeniería de materiales con tecnologías de fabricación personalizadas y un material de fabricación abundante y respetuoso con el medio ambiente a base de biopolímeros. Al diseñar estas herramientas físicas y digitales, el equipo podrá crear gradientes de rigidez continuos y multidimensionales a través de una variedad de métodos para ampliar las posibilidades de diseño de las MGF.

Giachini et al. hidroxietilcelulosa seleccionada (HEC); un derivado espesante y gelificante de la celulosa como material base, debido a su constitución no tóxica, biodegradable y respetuosa con el medio ambiente. El punto de gelificación de HEC se produjo a los 96 minutos, pasando de una solución acuosa a un hidrogel sólido. Los científicos optimizaron los parámetros de la solución para minimizar la tasa de viscosidad de la solución. Cuando agregaron ácido cítrico (CA) a la solución, la velocidad de gelificación fue la que más disminuyó para lograr una consistencia de extrusión satisfactoria. Luego, el equipo caracterizó el material impreso para comprender el efecto de los aditivos, donde la adición de lignina aumentó significativamente la rigidez y la resistencia a la tracción, mientras que la inclusión de CA disminuyó estas propiedades mecánicas. Las soluciones combinadas diferenciadas de lignina y CA proporcionaron una variedad de propiedades mecánicas para imprimir objetos con gradientes de propiedades. Luego, el equipo notó una disminución en la rigidez y un aumento en el tamaño y el peso de las muestras impresas con el aumento de la humedad relativa, que exploraron en busca de aplicaciones que involucraran estructuras que cambian de forma.

Durante el flujo de trabajo del diseño a la fabricación, el equipo combinó modelos geométricos con datos de gradiente para crear datos de MGF y generar un código de fabricación. Como plataforma para este flujo de trabajo, utilizaron Grasshopper; una interfaz de programación visual integrada en el software de modelado 3D Rhinoceros 3-D. El equipo varió los parámetros de fabricación para crear los objetos graduados de interés superponiendo capas, variando la cantidad de material y su composición.

La fluidez de los materiales con menor viscosidad proporcionó continuidad al objeto, mientras que las mezclas más viscosas alteraron discretamente la rigidez. La difusión entre materiales contrastantes garantizó la continuidad entre capas para crear láminas de material continuas y flexibles con refuerzos estampados. La tasa de deposición dependía de la tasa de extrusión de las bombas de jeringa y de la velocidad de la boquilla de la impresora. Giachini et al. incorporó estos parámetros de fabricación en los datos geométricos y tradujo los datos en comandos de fabricación para coordinar la distribución del material, explorar el flujo de material y permitir rutas de deposición iguales para fabricar objetos con rigidez geométrica variada.

Diseñaron datos de proporciones de mezcla para traducirlos a códigos de fabricación que modificaron la velocidad de extrusión de las bombas de jeringa y desarrollaron una estrategia computacional para optimizar la ruta de deposición para abordar los desafíos de la configuración. La muestra fabricada utilizando la ruta de gradiente optimizado mostró un mayor contraste del material inmediatamente después de la deposición. El equipo ajustó los gradientes a escala local y global utilizando las estrategias desarrolladas. Ajustaron la rigidez local de acuerdo con el módulo de Young del material para controlar la distribución del material e influir en la deformación del objeto. Por ejemplo, Giachini et al. sometió los materiales a fuerzas externas para lograr distintos comportamientos de deformación distribuyendo la rigidez en direcciones o patrones específicos.

El enfoque de utilizar fuerza externa para generar la forma final de un objeto inicialmente plano permitirá a los diseñadores aprovechar estrategias de fabricación 2D simplificadas y evitar procesos 3D complejos. El método tendrá aplicaciones en diseños de productos industriales, sistemas de diseño arquitectónico que exploran la flexión elástica de objetos planos para lograr forma e integridad estructural y en el desarrollo de mecanismos flexibles y robótica blanda. El equipo validó sus observaciones experimentales mediante una simulación que reflejaba el prototipo físico y proporcionaba información sobre la distribución de tensiones en la muestra deformada.

De esta manera, Pedro AGS Giachini y sus colegas combinaron la ingeniería de materiales y el procesamiento digital para controlar la mezcla y la deposición de materiales para extruir materiales viscoelásticos sintonizables con gradientes de rigidez continuos, de alto contraste y multidireccionales. Establecieron un método para diseñar una solución base en un catálogo de materiales fluídicos a base de celulosa que contienen propiedades mecánicas y reológicas distritales para proporcionar una base física para los gradientes de rigidez. La flexibilidad del método permitió al equipo adaptar procesos escalables y adaptables que se pueden aplicar a una variedad de procesos de fabricación de gradientes. El método desarrollado se optimizará aún más para superar las limitaciones e impulsar el potencial existente para imprimir objetos 2D o 2,5D y crear objetos 3D completamente formados con gradientes de propiedades funcionales internos.

Más información: PAGS Giachini et al. Fabricación aditiva de materiales a base de celulosa con gradientes de rigidez continuos y multidireccionales, Science Advances (2020). DOI: 10.1126/sciadv.aay0929

Daniela Rus et al. Diseño, fabricación y control de robots blandos, Nature (2015). DOI: 10.1038/naturaleza14543

Falguni Pati et al. Impresión biomimética de tejidos 3D para la regeneración de tejidos blandos, Biomateriales (2015). DOI: 10.1016/j.biomaterials.2015.05.043

Información de la revista:Avances científicos , Naturaleza , Biomateriales

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