一文让你深入了解功能梯度材料

功能梯度材料(FGM)允许在从生物医学到建筑学的多学科领域中进行多种应用。然而,它们的制造相对于梯度连续性,界面弯曲和方向自由性而言是乏味的。

大多数商业设计软件不包含属性梯度数据,这妨碍了对适合FGM的设计空间的探索。在有关科学进展的新报告中,佩德罗·阿格斯·贾奇尼(Pedro AGS Giachini)和美国。

德国和土耳其的建筑与城市规划,物理情报和医学研究团队设计了材料工程和数字处理的组合方法。该方法促进了基于挤压的多材料的纤维素基可调谐粘弹性材料的增材制造。

用于打印连续渐变的制造过程示意图。(A)印刷溶液的制备示意图。将粉末状的羟乙基纤维素(HEC)溶解在水中,并在烧杯中与添加剂混合,然后转移到注射器中。(B)控制系统图和3D打印系统示意图。左图显示了通过反馈回路同步(I)挤出系统和(III)定位系统的通信工作流程。3D打印系统(右)由(I)挤出系统(一个或两个注射泵),(II)储液罐(注射器)和(III)定位系统(定制的低成本3D打印机TEVO Tarantula i3)组成。输送管(IV)配有挤出头,可输送打印溶液并将溶液的细丝沉积在打印平台(V)上。(C)显示沉积后长丝混合的插图。相邻的细丝通过分子尺度上的扩散相互融合,从而形成无缝的物体和连续的渐变。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.aay0929

结构保持连续,高对比度和多维刚度梯度。Giachini等。建立了一种方法来工程化具有相似组成但具有不同机械和流变特性的纤维素基材料。

该团队还并行开发了数字工作流程,以将梯度信息嵌入具有集成制造路径计划的设计模型中。

该团队结合了物理和数字工具,可以通过多种途径获得类似的刚度梯度,从而实现了以前仅限于材料和几何形状刚性耦合的开放设计可能性。

功能梯度材料(FGM)可以连续,逐步的方式逐渐改变成分或结构,从而改变复合材料的性能。

材料设计的原理类似于许多自然存在的基材,其构造是为了满足多种需求,有时在包括薄膜涂层,生物医学工程和建筑学在内的各个领域存在冲突的设计要求。

FGM可以更好地在界面处分配应力,对软执行器进行编程变形并影响细胞迁移的速度。

印刷溶液的流变性。(A)左侧的示意图显示了由于物理粘合而导致的打印溶液的凝胶化。右边的剪切模量与时间的关系图显示了在〜5800 s处发生的胶凝点。按照惯例,胶凝点被定义为在HEC种类最初溶解之后储能模量G’变得大于损耗模量G”的时间点。(B)示出了胶凝时间与印刷溶液的pH的函数关系的图。通过添加不同量的CA来调节pH。误差棒表示三个试验的SD。该图揭示了最高的胶凝点,因此最长的印刷时间窗口,在〜3.0的pH值下发生。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.aay0929

结合材料工程和数字处理作为FGM的制造方法,用于构造性和大众运输过程以创建连续的梯度。他们通过纤维素衍生物的工程解决方案来实现这一点,以提供可控的挤出性能。

同时提供可调节的粘弹性,同时使用数字工作流程将梯度信息嵌入设计中,并生成自定义的G代码以控制操作系统[三维(3- D)打印机和注射泵]。

该团队使用了不同成分和横截面的细丝,以促进分子在细丝边界上的扩散并产生连续的梯度。

他们强调了将材料工程与定制制造技术以及环保和丰富的基于生物聚合物的制造材料相结合的重要性。

通过设计这样的物理和数字工具,该团队将能够通过多种方法创建多维和连续的刚度梯度,从而扩大FGM的设计可能性。

选择羟乙基纤维素(HEC); 纤维素的增稠和胶凝衍生物,因为它无毒,可生物降解且对环境友好。HEC的胶凝点发生在96分钟,从水溶液转变为固体水凝胶。

科学家优化了溶液参数,以最大程度降低溶液粘度。当他们添加柠檬酸(CA)对于溶液,胶凝速率减慢最大,以获得令人满意的挤出一致性。

然后,研究小组对印刷材料进行了表征,以了解添加剂的作用,其中添加木质素会显着提高刚度和拉伸强度,而添加CA则会降低这些机械性能。

木质素和CA差分溶液的组合提供了多种机械特性,以打印具有特性梯度的对象。

然后,研究小组注意到随着相对湿度的增加,刚度降低,打印样品的尺寸和重量增加,他们探索了涉及变形结构的应用。

在从设计到制造的工作流程中,团队将几何模型与梯度数据结合在一起,以创建FGM数据并生成制造代码。

作为此工作流程的平台,他们使用了Grasshopper;在3D建模软件Rhinoceros 3-D中嵌入的可视化编程界面。该

团队通过叠加层,改变材料的数量及其组成来改变制造参数,以创建感兴趣的渐变对象。

具有较低粘度的材料的流动性提供了物体的连续性,而更具粘性的混合物则离散地改变了刚度。

对比材料之间的扩散确保了层间的连续性,以创建具有图案增强材料的连续且柔韧的材料片。沉积速度取决于注射泵的挤出速度和打印机喷嘴的速度。

将这些制造参数嵌入到几何数据中,然后将数据转换为制造命令,以协调材料的分布,探索材料流动并允许相等的沉积路径来制造具有不同几何刚度的物体。

他们设计了混合比数据,以翻译成可修改注射泵挤出速率的制造代码,并开发了一种计算策略来优化沉积路径,以应对设置挑战。

使用梯度优化路径制造的样品在沉积后立即显示出更高的材料对比度。该团队使用已开发的策略在本地和全球范围内调整了梯度。

他们根据材料的杨氏模量调整了局部刚度,以控制材料的分布并影响对象的变形。例如,Giachini等。通过沿特定方向或图案分配刚度,使材料承受外力以实现独特的变形行为。

利用外力生成初始平面物体的最终形状的方法将使设计人员能够利用简化的2D制造策略并避免复杂的3D工艺。

该方法将在工业产品设计, 探索平面物体的弹性弯曲以实现形状和结构完整性的建筑设计系统,以及开发顺应性的机构和软机器人中的应用。

该团队使用模拟验证了他们的实验观察,该模拟反映了物理原型,从而提供了变形样品中应力分布的反馈。

样品显示出由于图案化的刚度变化引起的可编程变形。(A)示出了由灰度图像表示的刚度梯度的示意图。混合物1具有10wt%的基础混合物,并且混合物2具有10wt%的基础混合物和4wt%的CA。(B到E)相同尺寸的细纤维素条沿其长度方向印有各种刚度梯度曲线,并在经受相同的外部位移时表现出不同的曲率曲线。(B)显示均一的刚度(无梯度)导致对称曲率分布的照片。(C)照片显示,较弱混合物的离散区域导致了类似铰链的行为,使该条的曲率轮廓从非渐变对称曲线变形。(D)显示逐渐正弦梯度的照片导致曲率轮廓接近一个圆。(E)照片显示,通过打印的刚度梯度可以实现该条带的所需封闭端形式,其中较弱的区域比较硬的区域更容易弯曲。(F和G)系列柔性照片,这些照片将横向上的负载转移到纵向上的大变形中,从而实现了程序化的折叠效果。这些相同的编程行为是通过“硬度梯度图案和应用”一节中所述的不同方法实现的。(F)通过定向放置较高横截面的加强筋而表现出几何刚度差异的样品。(G)通过在意欲折叠的区域中使用较高CA含量的混合物而实现的表现出E模量差异的样品。(H)(G)部分中特征表的数字网格模型。E模量值的精细渐变适用于近似板材的连续梯度。(I)有限元模拟的一系列快照,用于预测在一对作用力下的编程折叠行为,由蓝色方框箭头表示(图片来源:斯图加特大学的Sachin S. Gupta)。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.aay0929

这样,Pedro AGS Giachini及其同事将材料工程与数字处理相结合,以控制材料的混合和沉积,从而挤出具有连续,高对比度和多方向刚度梯度的可调谐粘弹性材料。

他们建立了一种方法,可以将基本溶液工程化为包含纤维素的机械和流变特性的流体纤维素基材料目录,从而为刚度梯度提供物理基础。

该方法的灵活性使团队能够适应可扩展和可适应的过程,这些过程可应用于各种梯度制造过程。

所开发的方法将得到进一步优化,以克服局限性,并推动现有潜​​力来打印2D或2.5D对象并创建具有内部功能特性梯度的完全成型的3D对象。

文章来源:phys.org

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