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基于溶液的数字化复合材料制造

文章附图
核心提示:麻省理工学院将液态生物材料作为一种可持续开发复合材料结构的方法。
     麻省理工学院将液态生物材料作为一种可持续开发复合材料结构的方法。

图1

可持续的数字化制造:通过基于溶液的数字化制造项目,麻省理工学院开发了一种新型制造系统并获得了专利。该制造系统可采用甲壳素和纤维素等生物聚合物的水基溶液,创造出轻质而坚固的生物复合材料结构(上),该结构在化学、力学和光学性能上具有可调整的梯度,包括在干燥过程中能自我组装(右下),在使用寿命结束后可生物降解

大自然创造的结构非常坚固、灵活且适应性强,能根据环境的变化而生长和运作——如树、骨骼和甲壳素。甲壳素会形成坚硬的外壳和甲壳类动物的柔韧关节。自然界的结构几乎不产生废物,且所需能量很少,在正常生命周期结束时还可以循环利用。相比之下,人造结构通常是约定俗成的,会消耗大量的能源,产生有毒的废物,而且大多数都不能回收利用。

来自美国环境保护署2018年的数据显示,塑料的回收率只有9%,且自2010年以来没有变化;玻璃的回收率为25%,金属的回收率为33%,且这两个数据自2010年以来有所下降。虽然数字化的设计和制造正在迅猛发展,能够生产出复杂、多功能的结构和部件, 但这些技术尚未能在可持续性方面取得同样的进展。

这就为美国麻省理工学院媒体实验室介导物质研究小组于2013年开始的水基数字化制造项目带来了灵感和目标。该项目开发了一种新的数字化制造技术,它将地球上最丰富的自然物质与机器人控制的、能沉积不同浓度生物复合材料溶液的多腔挤出系统结合在一起,首先采用甲壳类动物壳中的甲壳素和醋酸,创建出了具有各向异性特性的结构。该结构在从毫米到米的长度尺度跨度上,形成了有梯度的力学、化学和光学性能,不仅实现了独特的几何形状和多功能性,还提供了结构自组装能力。

这种水基数字化制造方法被认为是在生物环境与建筑环境之间架起了一道桥梁,在可持续的建筑面板、可回收包装以及消费品或轻量化可生物降解的汽车零部件等应用领域具有潜力。最终,麻省理工学院探索了采用纤维素微纤维、果胶、藻类和陶瓷纳米片来制造复合材料。但是,如果将这种水基数字化沉积与连续纤维和短切纤维增强材料的挤出结合起来,快速推进到今天3D打印的复合材料之中,又会怎样呢?

图4

可堆肥包装:采用生物复合凝胶和麻省理工学院开发的数字化制造系统,可以制成不同的可堆肥包装

为什么是壳聚糖溶液?

水基数字化制造项目的初期实验采用了从甲壳素中提取的壳聚糖。作为地球上仅次于纤维素的第二丰富的天然聚合物,甲壳素的化学结构与纤维素相似,不仅拥有甲壳类动物和昆虫的高模量、高韧性的外壳,还拥有在它们的关节中发现的强壮而有弹性的组织。麻省理工学院参与该项目的一名关键研究人员Laia Mogas-Soldevila解释说,天然材料,尤其是聚合物和多糖,比如甲壳素和纤维素,提供了大量的可再生资源,而且生成速度要比人造合成聚合物快得多。她声称,多糖衍生物可以替代现有的石化聚合物,提供新的性能组合,并使制造更具有可持续性。

Mogas-Soldevila解释说,“采用水基数字化制造来生产软材料以作为组织生长的支架”的想法,来自于研究喷墨和基于喷嘴的生物制造方法。

他们决定试试采用喷嘴的3D沉积法,在4%重量-体积浓度的醋酸水溶液中,将壳聚糖粉末加工成重量-体积浓度为1%~12%的凝胶。

图2

创造有机结构:麻省理工学院媒体实验室开发了一种新的挤出末端执行器,允许配有6个料筒的库卡机器人可以沉积由壳聚糖粉末在水基溶液中以1%~12%的浓度制成的凝胶。生成的生物复合材料结构,在其更硬、更强的脉络处,所用的凝胶浓度较高,沉积过程中,将2% 浓度的透明凝胶粘在打印路径较宽的和多层的打印结构上,创造出一种抗张力的膜

这些水凝胶包括像水状蜂蜜一样、粘稠度为3%的一种半透明液体,以及粘稠度为12%的像天然橡胶一样的不透明材料。对壳聚糖薄膜进行沉积和干燥的初步结果显示,最终的拉伸强度达到400兆帕,Mogas-Soldevila将其描述为可与尼龙或沿纤维方向的木质相媲美。该结构是在室温下制成和固化。

新的数字化制造平台

用于沉积壳聚糖凝胶的订制化的机器人增材制造平台,由麻省理工学院设计开发,它组合了库卡的Agilus KR1100六轴机械手臂(54kg的平台拥有10kg的承载力和±0.03mm的重复定位精度)与基于挤出的末端执行器。这种新型末端执行器带有6个壳聚糖水凝胶桶,连接到计算机控制的气压系统上,该气压系统含带有数字PSI调节器的正(压缩空气罐)负(真空泵)气压和双步进电机用于控制挤出。

该末端执行器重4kg,这包含了所装载的注射器和沉积材料。采用的喷嘴内径为0.58mm,典型流速是8~4000mm3/s。该系统的线性运行速度从10mm/s到50mm/s不等,沉积面积为1000mm长、500 mm宽。后来,通过采用一种滑动的打印床,消除了长度方向的限制。

步进电机、气动系统和机械手臂都由数字化控制,以协调送料/速度比,实现可变的混合比率和挤出速率,并可根据所需的挤出形状和材料性能来调整沉积压力和运行速度。机器人运动与挤出之间没有明确的关联,也就是说,这两个功能相互独立,这允许独立控制每个电机驱动的注射器以及机械手臂末端执行器的位移。该系统在无模情况下成功地生产出了大型的三维形状,实现了广泛的几何形状与不同的结构特性。

从数字化设计到沉积

最初的制造试验是基于叶子和蜻蜓翅膀这样的生物结构。一个纵向主结构提供了整体形状,由较粗直径的沉积物制成,在需要刚性之处采用了较高浓度的材料。次级结构是通过沉积较细直径的网络和低浓度的材料而形成的。该制造系统使用了几项技术来构建这些结构,包括:沿特定的路径施加不同浓度的溶液;在沉积过程中,对压力进行数字化控制,以控制材料的宽度和高度以及铺层的可重复性。这些策略被编码成位置、速度、压力和材料指令,实时发送给库卡机器人以进行定位以及挤出末端执行器以进行沉积。

一开始,用CAD程序对结构进行建模,然后自定义切片软件以将其转换成打印的层。数字化控制系统对沉积路径进行测试和优化。利用Rhino3D建模软件及其Grasshopper脚本插件来设计几何工具轨迹,以为挤出系统提供控制和操作。

然后,该系统对一组与数字化设计以及基本的力学和化学材料性能相关的独立参数进行编码,这也缓和了由制造系统带来的与平台相关的制约因素,如粘度、剪切速率、料筒类型、硬件响应时间以及(或)包络尺寸。然后,所有这些参数都与特定设计的变数如喷嘴类型、材料组成和随时间变化的压力曲线相结合,由此而获得的计算结果会输出必要的流量、补料模式和定位速度。最后,生成自定义制造指令, 将运动和挤出命令分别编码到定位和沉积系统中。

探索新的结构

据Mogas-Soldevila介绍,制造试验包括一个50cm长的结构,灵感来自于蜻蜓的翅膀。它的脉络结构由采用天然海藻酸钠粉末增稠的壳聚糖凝胶制成,其上覆盖了一层由3%壳聚糖凝胶制成的透明抗张膜。基于这种材料的自我修复特性,这种抗张膜在沉积过程中被粘在脉络上。这一概念在众多长达3m的叶状结构中得到了进一步的研究。另一个例子是,利用设计内部蒸发应力的能力,采用含纤维素微纤维的2%的壳聚糖凝胶溶液,平面沉积出了一个5mm×15mm的网格,干燥后,就形成一个50cm长的圆筒。

这项技术由Jorge Duro-Royo发明,他是麻省理工学院由Neri Oxman领导的介导物质小组的建筑师、工程师和首席研究员。这项技术在 Aguahoja 项目中得到了进一步的发展,在此项目中,皮肤状的结构(“hojas”)是用水基溶液('agua')创造和塑造的。Aquahoja I 包括一个5m高的建筑亭和一个于2018年展出、然后被旧金山现代艺术博物馆收购以永久收藏的材料实验资料库。Aguahoja II是由荷兰立方设计博物馆与美国Cooper Hewitt, Smithsonian设计博物馆共同组织的2019展览的一部分。

图3

Aguahoja I亭子:这一5m高的亭子由3D打印的热塑性脊柱组合在一起,它展示了对生物复合材料板材的应用,该板材采用麻省理工学院的水基数字化制造系统打印而成,被设计成拥有不同的刚性、柔韧性和透明性,以创建出可作为结构、窗口和环境过滤器的区域,在使用寿命结束时,所有这些材料将回归自然

Aguahoja项目使用的机器人制造平台包括基于机器人和龙门架的系统。该亭子由95个3D打印的独立片段组成。白色的脊柱是采用现成的F900熔融沉积成型(FDM)系统和ASA热塑性塑料打印的。这种多层生物复合材料板被设计成拥有不同的刚性、柔韧性和透明度,从而创建出可作为结构、窗口和环境过滤器的区域。Aguahoja I中的一些材料会随着湿度和热度的变化而变化,有些材料则随着季节的变化而变暗或变亮。这些材料涉及脆性的、透明的、柔韧的和像皮革一样的,但它们都可以在水中如雨中降解,从而将组成的构建模块恢复成自然的生态系统。

Mogas-Soldevila现在是宾夕法尼亚大学斯图尔特 · 韦茨曼学院的建筑学助教,教授并研究处在可持续发展与尖端生命科学交叉点的材料驱动的设计。她表示:“这些材料来自于自然界,并且很容易功能化,我们可以把它们混合起来,加入添加剂,然后对它们进行改造。实际上,我们可以把它们调整成拥有特定的制造能力,来看看明天会发生什么。”


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