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基于溶液的數字化復合材料制造

文章附圖
核心提示:麻省理工學院將液態生物材料作為一種可持續開發復合材料結構的方法。
     麻省理工學院將液態生物材料作為一種可持續開發復合材料結構的方法。

圖1

可持續的數字化制造:通過基于溶液的數字化制造項目,麻省理工學院開發了一種新型制造系統并獲得了專利。該制造系統可采用甲殼素和纖維素等生物聚合物的水基溶液,創造出輕質而堅固的生物復合材料結構(上),該結構在化學、力學和光學性能上具有可調整的梯度,包括在干燥過程中能自我組裝(右下),在使用壽命結束后可生物降解

大自然創造的結構非常堅固、靈活且適應性強,能根據環境的變化而生長和運作——如樹、骨骼和甲殼素。甲殼素會形成堅硬的外殼和甲殼類動物的柔韌關節。自然界的結構幾乎不產生廢物,且所需能量很少,在正常生命周期結束時還可以循環利用。相比之下,人造結構通常是約定俗成的,會消耗大量的能源,產生有毒的廢物,而且大多數都不能回收利用。

來自美國環境保護署2018年的數據顯示,塑料的回收率只有9%,且自2010年以來沒有變化;玻璃的回收率為25%,金屬的回收率為33%,且這兩個數據自2010年以來有所下降。雖然數字化的設計和制造正在迅猛發展,能夠生產出復雜、多功能的結構和部件, 但這些技術尚未能在可持續性方面取得同樣的進展。

這就為美國麻省理工學院媒體實驗室介導物質研究小組于2013年開始的水基數字化制造項目帶來了靈感和目標。該項目開發了一種新的數字化制造技術,它將地球上最豐富的自然物質與機器人控制的、能沉積不同濃度生物復合材料溶液的多腔擠出系統結合在一起,首先采用甲殼類動物殼中的甲殼素和醋酸,創建出了具有各向異性特性的結構。該結構在從毫米到米的長度尺度跨度上,形成了有梯度的力學、化學和光學性能,不僅實現了獨特的幾何形狀和多功能性,還提供了結構自組裝能力。

這種水基數字化制造方法被認為是在生物環境與建筑環境之間架起了一道橋梁,在可持續的建筑面板、可回收包裝以及消費品或輕量化可生物降解的汽車零部件等應用領域具有潛力。最終,麻省理工學院探索了采用纖維素微纖維、果膠、藻類和陶瓷納米片來制造復合材料。但是,如果將這種水基數字化沉積與連續纖維和短切纖維增強材料的擠出結合起來,快速推進到今天3D打印的復合材料之中,又會怎樣呢?

圖4

可堆肥包裝:采用生物復合凝膠和麻省理工學院開發的數字化制造系統,可以制成不同的可堆肥包裝

為什么是殼聚糖溶液?

水基數字化制造項目的初期實驗采用了從甲殼素中提取的殼聚糖。作為地球上僅次于纖維素的第二豐富的天然聚合物,甲殼素的化學結構與纖維素相似,不僅擁有甲殼類動物和昆蟲的高模量、高韌性的外殼,還擁有在它們的關節中發現的強壯而有彈性的組織。麻省理工學院參與該項目的一名關鍵研究人員Laia Mogas-Soldevila解釋說,天然材料,尤其是聚合物和多糖,比如甲殼素和纖維素,提供了大量的可再生資源,而且生成速度要比人造合成聚合物快得多。她聲稱,多糖衍生物可以替代現有的石化聚合物,提供新的性能組合,并使制造更具有可持續性。

Mogas-Soldevila解釋說,“采用水基數字化制造來生產軟材料以作為組織生長的支架”的想法,來自于研究噴墨和基于噴嘴的生物制造方法。

他們決定試試采用噴嘴的3D沉積法,在4%重量-體積濃度的醋酸水溶液中,將殼聚糖粉末加工成重量-體積濃度為1%~12%的凝膠。

圖2

創造有機結構:麻省理工學院媒體實驗室開發了一種新的擠出末端執行器,允許配有6個料筒的庫卡機器人可以沉積由殼聚糖粉末在水基溶液中以1%~12%的濃度制成的凝膠。生成的生物復合材料結構,在其更硬、更強的脈絡處,所用的凝膠濃度較高,沉積過程中,將2% 濃度的透明凝膠粘在打印路徑較寬的和多層的打印結構上,創造出一種抗張力的膜

這些水凝膠包括像水狀蜂蜜一樣、粘稠度為3%的一種半透明液體,以及粘稠度為12%的像天然橡膠一樣的不透明材料。對殼聚糖薄膜進行沉積和干燥的初步結果顯示,最終的拉伸強度達到400兆帕,Mogas-Soldevila將其描述為可與尼龍或沿纖維方向的木質相媲美。該結構是在室溫下制成和固化。

新的數字化制造平臺

用于沉積殼聚糖凝膠的訂制化的機器人增材制造平臺,由麻省理工學院設計開發,它組合了庫卡的Agilus KR1100六軸機械手臂(54kg的平臺擁有10kg的承載力和±0.03mm的重復定位精度)與基于擠出的末端執行器。這種新型末端執行器帶有6個殼聚糖水凝膠桶,連接到計算機控制的氣壓系統上,該氣壓系統含帶有數字PSI調節器的正(壓縮空氣罐)負(真空泵)氣壓和雙步進電機用于控制擠出。

該末端執行器重4kg,這包含了所裝載的注射器和沉積材料。采用的噴嘴內徑為0.58mm,典型流速是8~4000mm3/s。該系統的線性運行速度從10mm/s到50mm/s不等,沉積面積為1000mm長、500 mm寬。后來,通過采用一種滑動的打印床,消除了長度方向的限制。

步進電機、氣動系統和機械手臂都由數字化控制,以協調送料/速度比,實現可變的混合比率和擠出速率,并可根據所需的擠出形狀和材料性能來調整沉積壓力和運行速度。機器人運動與擠出之間沒有明確的關聯,也就是說,這兩個功能相互獨立,這允許獨立控制每個電機驅動的注射器以及機械手臂末端執行器的位移。該系統在無模情況下成功地生產出了大型的三維形狀,實現了廣泛的幾何形狀與不同的結構特性。

從數字化設計到沉積

最初的制造試驗是基于葉子和蜻蜓翅膀這樣的生物結構。一個縱向主結構提供了整體形狀,由較粗直徑的沉積物制成,在需要剛性之處采用了較高濃度的材料。次級結構是通過沉積較細直徑的網絡和低濃度的材料而形成的。該制造系統使用了幾項技術來構建這些結構,包括:沿特定的路徑施加不同濃度的溶液;在沉積過程中,對壓力進行數字化控制,以控制材料的寬度和高度以及鋪層的可重復性。這些策略被編碼成位置、速度、壓力和材料指令,實時發送給庫卡機器人以進行定位以及擠出末端執行器以進行沉積。

一開始,用CAD程序對結構進行建模,然后自定義切片軟件以將其轉換成打印的層。數字化控制系統對沉積路徑進行測試和優化。利用Rhino3D建模軟件及其Grasshopper腳本插件來設計幾何工具軌跡,以為擠出系統提供控制和操作。

然后,該系統對一組與數字化設計以及基本的力學和化學材料性能相關的獨立參數進行編碼,這也緩和了由制造系統帶來的與平臺相關的制約因素,如粘度、剪切速率、料筒類型、硬件響應時間以及(或)包絡尺寸。然后,所有這些參數都與特定設計的變數如噴嘴類型、材料組成和隨時間變化的壓力曲線相結合,由此而獲得的計算結果會輸出必要的流量、補料模式和定位速度。最后,生成自定義制造指令, 將運動和擠出命令分別編碼到定位和沉積系統中。

探索新的結構

據Mogas-Soldevila介紹,制造試驗包括一個50cm長的結構,靈感來自于蜻蜓的翅膀。它的脈絡結構由采用天然海藻酸鈉粉末增稠的殼聚糖凝膠制成,其上覆蓋了一層由3%殼聚糖凝膠制成的透明抗張膜?;谶@種材料的自我修復特性,這種抗張膜在沉積過程中被粘在脈絡上。這一概念在眾多長達3m的葉狀結構中得到了進一步的研究。另一個例子是,利用設計內部蒸發應力的能力,采用含纖維素微纖維的2%的殼聚糖凝膠溶液,平面沉積出了一個5mm×15mm的網格,干燥后,就形成一個50cm長的圓筒。

這項技術由Jorge Duro-Royo發明,他是麻省理工學院由Neri Oxman領導的介導物質小組的建筑師、工程師和首席研究員。這項技術在 Aguahoja 項目中得到了進一步的發展,在此項目中,皮膚狀的結構(“hojas”)是用水基溶液('agua')創造和塑造的。Aquahoja I 包括一個5m高的建筑亭和一個于2018年展出、然后被舊金山現代藝術博物館收購以永久收藏的材料實驗資料庫。Aguahoja II是由荷蘭立方設計博物館與美國Cooper Hewitt, Smithsonian設計博物館共同組織的2019展覽的一部分。

圖3

Aguahoja I亭子:這一5m高的亭子由3D打印的熱塑性脊柱組合在一起,它展示了對生物復合材料板材的應用,該板材采用麻省理工學院的水基數字化制造系統打印而成,被設計成擁有不同的剛性、柔韌性和透明性,以創建出可作為結構、窗口和環境過濾器的區域,在使用壽命結束時,所有這些材料將回歸自然

Aguahoja項目使用的機器人制造平臺包括基于機器人和龍門架的系統。該亭子由95個3D打印的獨立片段組成。白色的脊柱是采用現成的F900熔融沉積成型(FDM)系統和ASA熱塑性塑料打印的。這種多層生物復合材料板被設計成擁有不同的剛性、柔韌性和透明度,從而創建出可作為結構、窗口和環境過濾器的區域。Aguahoja I中的一些材料會隨著濕度和熱度的變化而變化,有些材料則隨著季節的變化而變暗或變亮。這些材料涉及脆性的、透明的、柔韌的和像皮革一樣的,但它們都可以在水中如雨中降解,從而將組成的構建模塊恢復成自然的生態系統。

Mogas-Soldevila現在是賓夕法尼亞大學斯圖爾特 · 韋茨曼學院的建筑學助教,教授并研究處在可持續發展與尖端生命科學交叉點的材料驅動的設計。她表示:“這些材料來自于自然界,并且很容易功能化,我們可以把它們混合起來,加入添加劑,然后對它們進行改造。實際上,我們可以把它們調整成擁有特定的制造能力,來看看明天會發生什么?!?/p>


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