Fabricação aditiva de celulose

Recurso de 9 de março de 2020

por Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Materiais funcionalmente graduados (FGM) permitem diversas aplicações em campos multidisciplinares, da biomedicina à arquitetura. No entanto, a sua fabricação pode ser tediosa em relação à continuidade do gradiente, flexão interfacial e liberdade direcional. A maioria dos softwares de design comercial não inclui dados de gradiente de propriedade – dificultando a exploração do espaço de design adequado para MGFs. Num novo relatório sobre Avanços da Ciência, Pedro AGS Giachini e uma equipa de investigação em arquitectura e planeamento urbano, inteligência física e medicina, nos EUA, Alemanha e Turquia conceberam uma abordagem combinada de engenharia de materiais e processamento digital. O método facilitou a fabricação aditiva multimaterial baseada em extrusão de materiais viscoelásticos sintonizáveis ​​à base de celulose.

As construções mantiveram gradientes de rigidez contínuos, de alto contraste e multidimensionais. Giachini et al. estabeleceram um método para projetar conjuntos de materiais à base de celulose com composições semelhantes, mas com propriedades mecânicas e reológicas distintas. A equipe também desenvolveu paralelamente um fluxo de trabalho digital para incorporar informações de gradiente em modelos de projeto com planejamento integrado do caminho de fabricação. A equipe combinou as ferramentas físicas e digitais para alcançar gradientes de rigidez semelhantes através de múltiplos caminhos para alcançar possibilidades de design abertas que antes eram limitadas ao acoplamento rígido de material e geometria.

Materiais classificados funcionalmente (FGMs) podem mudar gradualmente a composição ou estrutura de maneira contínua e gradual para dar origem a alterações nas propriedades de um compósito. Os princípios de design de materiais são semelhantes aos de muitos substratos naturais, construídos para atender a requisitos de design múltiplos, às vezes conflitantes, em diversos campos, incluindo revestimentos de película fina, engenharia biomédica e arquitetura. Os FGMs podem distribuir melhor o estresse nas interfaces, programar a deformação de atuadores suaves e influenciar a velocidade de migração celular.

Giachini et al. combinou engenharia de materiais e processamento digital como um método de fabricação FGM para processos construtivos e de transporte de massa para criar gradientes contínuos. Eles conseguiram isso projetando soluções de um derivado de celulose para fornecer propriedades viscoelásticas ajustáveis ​​com extrusão controlada, enquanto usavam o fluxo de trabalho digital para incorporar informações de gradiente nos projetos e gerar um código G personalizado para controlar o sistema operacional [tridimensional (3- D) impressora e bombas de seringa]. A equipe usou filamentos de composições e seções transversais variadas para facilitar a difusão molecular através dos limites dos filamentos e criar gradientes contínuos. Eles destacaram a relevância de combinar a engenharia de materiais com tecnologias de fabricação personalizadas e um material de fabricação abundante e ecologicamente correto à base de biopolímeros. Ao projetar essas ferramentas físicas e digitais, a equipe será capaz de criar gradientes de rigidez multidimensionais e contínuos por meio de uma variedade de métodos para expandir as possibilidades de projeto para FGMs.

Giachini et al. hidroxetilcelulose selecionada (HEC); um derivado espessante e gelificante da celulose como matéria-prima, devido à sua constituição atóxica, biodegradável e ecologicamente correta. O ponto de gelificação do HEC ocorreu aos 96 minutos, passando de uma solução aquosa para um hidrogel sólido. Os cientistas otimizaram os parâmetros da solução para minimizar a taxa de viscosidade da solução. Quando adicionaram ácido cítrico (CA) à solução, a taxa de gelificação diminuiu ao máximo para uma consistência de extrusão satisfatória. A equipe então caracterizou o material impresso para entender o efeito dos aditivos, onde a adição de lignina aumentou significativamente a rigidez e a resistência à tração, enquanto a inclusão de CA diminuiu essas propriedades mecânicas. As soluções combinadas diferenciadas por lignina e CA forneceram uma variedade de propriedades mecânicas para imprimir objetos com gradientes de propriedades. A equipe notou então uma diminuição na rigidez e um aumento no tamanho e peso das amostras impressas com o aumento da umidade relativa, que exploraram para aplicações envolvendo estruturas que mudam de forma.