셀룰로오스의 적층 제조

2020년 3월 9일 특집

작성자: Thamarasee Jeewandara, Phys.org

FGM(기능 등급 재료)을 사용하면 생물의학부터 건축까지 다양한 분야에 다양한 응용이 가능합니다. 그러나 그 제조는 경사 연속성, 계면 굽힘 및 방향 자유도에 비해 지루할 수 있습니다. 대부분의 상용 설계 소프트웨어에는 속성 그라데이션 데이터가 포함되어 있지 않아 FGM에 적합한 설계 공간 탐색을 방해합니다. Science Advances에 관한 새로운 보고서에서 Pedro AGS Giachini와 미국, 독일, 터키의 건축 및 도시 계획, 물리적 지능 및 의학 분야의 연구팀은 재료 공학과 디지털 처리의 결합된 접근 방식을 설계했습니다. 이 방법은 압출 기반 다중 재료, 셀룰로오스 기반 조정 가능한 점탄성 재료의 적층 제조를 촉진했습니다.

구조는 연속적이고 고대비 및 다차원 강성 구배를 유지했습니다. Giachiniet al. 유사한 구성을 가지면서도 뚜렷한 기계적 및 유변학적 특성을 지닌 셀룰로오스 기반 재료 세트를 엔지니어링하는 방법을 확립했습니다. 또한 팀은 통합 제작 경로 계획을 통해 설계 모델에 그라데이션 정보를 삽입하는 디지털 워크플로를 동시에 개발했습니다. 팀은 물리적 도구와 디지털 도구를 결합하여 이전에 재료와 형상의 견고한 결합으로 제한되었던 개방형 설계 가능성을 달성하기 위해 여러 경로를 통해 유사한 강성 구배를 달성했습니다.

기능 등급 재료(FGM)는 연속적이고 단계적인 방식으로 구성이나 구조를 점진적으로 변화시켜 복합재의 특성을 변화시킬 수 있습니다. 재료 설계의 원리는 박막 코팅, 생물의학 공학 및 건축을 비롯한 다양한 분야에서 때로는 상충되는 여러 설계 요구 사항을 충족하기 위해 만들어진 많은 자연 발생 기판과 유사합니다. FGM은 인터페이스에서 응력을 더 잘 분산시키고 소프트 액추에이터의 변형을 프로그래밍하며 세포 이동 속도에 영향을 줄 수 있습니다.

Giachiniet al. 지속적인 구배를 생성하기 위한 건설 및 대량 운송 공정을 위한 FGM 제조 방법으로 재료 공학과 디지털 처리를 결합했습니다. 그들은 제어된 압출로 조정 가능한 점탄성 특성을 제공하는 셀룰로오스 유도체의 엔지니어링 솔루션을 통해 이를 달성했으며 동시에 디지털 워크플로우를 사용하여 그라데이션 정보를 설계에 포함하고 사용자 정의 G 코드를 생성하여 운영 시스템을 제어합니다[3차원(3- D) 프린터 및 주사기 펌프]. 팀은 다양한 구성과 단면의 필라멘트를 사용하여 필라멘트 경계를 넘어 분자 확산을 촉진하고 연속적인 구배를 만들었습니다. 그들은 재료 공학과 맞춤형 제조 기술 및 환경 친화적이고 풍부한 바이오폴리머 기반 제조 재료를 결합하는 것의 관련성을 강조했습니다. 이러한 물리적 및 디지털 도구를 설계함으로써 팀은 FGM의 설계 가능성을 확장하기 위한 다양한 방법을 통해 다차원적이고 연속적인 강성 구배를 생성할 수 있습니다.

Giachiniet al. 선택된 히드록시에틸 셀룰로오스(HEC); 무독성, 생분해성, 환경친화적인 구성으로 인해 셀룰로오스의 증점 및 겔화 유도체를 기본 재료로 합니다. HEC의 겔화점은 96분에 발생하여 수용액에서 고체 하이드로겔로 전환되었습니다. 과학자들은 용액 점도 비율을 최소화하기 위해 용액 매개변수를 최적화했습니다. 용액에 구연산(CA)을 첨가하면 만족스러운 압출 일관성을 위해 겔화 속도가 가장 느려졌습니다. 그런 다음 팀은 첨가제의 효과를 이해하기 위해 인쇄물을 특성화했습니다. 여기서 리그닌을 첨가하면 강성과 인장 강도가 크게 증가한 반면 CA를 포함하면 이러한 기계적 특성이 감소했습니다. 결합된 리그닌 및 CA 차별화 솔루션은 속성 그라데이션이 있는 물체를 인쇄할 수 있는 다양한 기계적 속성을 제공했습니다. 그런 다음 팀은 상대 습도가 증가함에 따라 인쇄된 샘플의 강성이 감소하고 크기와 무게가 증가하는 것을 확인했으며, 이는 모양 변경 구조와 관련된 응용 분야를 탐색했습니다.