Oplossingsgebaseerde digitale fabricage van hoogpresterende composietmaterialen

Natuur bouwt structuren die ongelooflijk sterk, veelzijdig en adaptief zijn, groeiend en functionerend in reactie op hun omgeving — denk aan bomen, bot en chitine. De laatste vormt zowel de harde schillen als de flexibele gewrichten van schaaldieren. Natuurlijke constructies produceren weinig tot geen afval, vereisen zeer weinig energie en worden aan het einde van hun functionele levens gerecycled. In tegenstelling zijn door de mens gemaakte constructies doorgaans voorschrijvend, consumeren grote hoeveelheden energie, genereren giftig afval en worden meestal niet gerecycled. Volgens 2018 data van de Amerikaanse Environmental Protection Agency, is het percentage gerecyclde materialen slechts 9% voor kunststoffen (geen verandering sinds 2010), 25% voor glas en 33% voor metalen (beide gedaald sinds 2010). Hoewel digitale ontwerp en fabricage snel vorderen en de productie van gesofisticeerde, multifunctionele structuren en componenten mogelijk maken, hebben deze technologien nog niet dezelfde inroads in duurzaamheid gemaakt.

Waarom chitosanoloplossing?

Deze was de inspiratie en het doel voor het Water-Based Digital Fabrication project ontwikkeld door de Mediated Matter Group aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT, Cambridge, Mass., VS) Media Lab, beginnend in 2013. Deze initiatief ontwikkelde een nieuwe digitale productietechnologie die aardrijkste meest voorkomende natuurlijke materialen combineert met een robotisch gecontroleerd, multi-kamer extrusiesysteem dat variërende concentraties van biocomposietoplossingen afzet — de eerste was chitine van schaaldierenschillen en azijnzuur — om structuren met anisotrope eigenschappen te creëren. Gradiënten in mechanische, chemische en optische eigenschappen worden geproduceerd over lengteschalen van millimeters tot meters, wat niet alleen unieke geometrieën en multifunctionaliteit bereikt, maar ook het potentieel voor structurele zelfassemblage. Bijvoorbeeld, de natte depositie kan ontworpen worden om vormen te vormen (bijv. cilinder) tijdens het drogen, in reactie op richtingsgebonden verdampingsstressen binnen de multicomposieten.

Deze oplossingsgebaseerde digitale fabricage was geënvisioneerd als een brug tussen de biologische en gebouwde omgeving, met potentiële toepassingen in duurzame architectuurpanelen, herbruikbare verpakkingen en consumentengoederen of lichte biologisch afbreekbare autoponderdelen. MIT verkeende uiteindelijk composites met cellulosa microvezels, pectine, algen en keramische nanoplaatjes. Maar wat als je deze watergebaseerde digitale depositie kunt combineren met de continue en korte vezel-versterkte additieve extrusietechnologieën die snel vorderen in de huidige 3D-geprinte composites?

Waarom chitosanoloplossing?

Initiële experimenten in het Water-Based Digital Fabrication project gebruikten chitosane, afgeleid van chitine. Het op een na meest voorkomende natuurlijke polymer op aarde na cellulosa, heeft chitine een vergelijkbare chemische structuur als cellulosa en omvat niet alleen de hoge-modulus, hoge-zachtheid schillen van schaaldieren en insecten maar ook het sterke toch flexibele weefsel in hun gewrichten. Natuurlijke materialen — met name polymeren en polysaccharides zoals chitine en cellulosa — bieden een enorme hernieuwbare bron geproduceerd bij veel hogere snelheden dan door de mens gemaakte synthetische polymeren, legt Laia Mogas-Soldevila uit, een van de sleutelonderzoekers van MIT in dit project. Ze stelt dat polysaccharidederivaten bestaande petrochemische polymeren kunnen vervangen, nieuwe eigenschapscombinaties bieden en duurzamere productie mogelijk maken.

Mogas-Soldevila geeft een uitstekend overzicht van de MIT technologieontwikkeling in haar 2015 thesis, "Water-based digital design and fabrication: Material, product, and architectural explorations in printing chitosan and its composites." Ze legt uit dat het idee om oplossingsgebaseerde digitale fabricage te gebruiken voortkwam uit het bestuderen van inkjet- en zuigergebaseerde biofabricagemethoden om zachte materialen te produceren als skeletten voor weefselgroei.

Het werd besloten om te proberen met zuigergebaseerde 3D-depositie met chitosane poeder verwerkt tot een gel bij gewicht-tot-volume (w/v) concentraties van 1-12% met 4% w/v azijnzuur in waterige oplossing. Deze hydrogels wisselden van een doorschijnende vloeistof met viscositeit als waterige honing bij 3% concentratie, tot een opaak materiaal met de consistentie van natuurlijke rubber bij 12% concentratie (Fig. 1). Initiele resultaten van gedeponeerde en gedroogde chitosane films toonden een uiteindelijke trekksterkte van 40 megapascal, wat Mogas-Soldevila beschreef als vergelijkbaar met nylon polymer of hout in de richting van de vezel. Structuren werden geproduceerd en gecureerd bij kamertemperatuur.

Nieuw digitaal productieplatform

Het aangepaste robotische additieve productieplatform dat MIT ontwierp om de chitosane gels te depositieren, combineerde een KUKA (Augsburg, Duitsland) Agilus KR1100 zes-as robotarm (een 54-kilogram platform met 10-kilogram payload en ±0,03-millimeter herhaalbaarheid/nauwkeurigheid) met een extrusiegebaseerd eind-effector. De nieuwe eind-effector bevatte zes vaten voor de chitosane hydrogels verbonden met een computergecontroleerd luchtdruksysteem dat positieve (gecomprimeerde lucht tank) en negatieve (vacuümpomp) luchtdruk omvatte met een digitale PSI-regelaar en tweedubbele stappenmotoren om extrusie te controleren.

Deze eind-effector woog 4 kilogram inclusief geladen spuiten en depositiemateriaal. Typische stroomsnelheden varieerden van 8-4.000 kubieke millimeter per seconde met zuigers met een binnenste diameter van 0,5-8 millimeter. Lineaire beweging van het systeem varieerde van 10-50 millimeter per seconde. Depositiegebied was 1.000 millimeter lang bij 500 millimeter breed, hoewel lengtebeperkingen later werden verwijderd via een Schuifprintbed.

De stappenmotoren, pneumatische systeem en robotarm werden digitaal gecontroleerd om voedings/snelheidsverhoudingen te coördineren, variabele mengverhoudingen en extrusiesnelheden mogelijk te maken en depositiedruk en snelheid on-the-fly af te stemmen op basis van de gewenste extrusiegeometrieën en materiaaleigenschappen. Robotbeweging en extrusie waren niet expliciet gekoppeld — d.w.z., beide functies waren onafhankelijk van elkaar — wat onafhankelijke controle van elke motoraangedreven spuit evenals de verplaatsing van de robotarm eind-effector toeliet. Het systeem produceerde succesvol grootschalige 3D-vormen zonder mallets en bereikte een breed scala aan geometrische vormen met varierende structurele eigenschappen.

Van digitaal ontwerp naar depositie

Initiële fabricagetrials waren gebaseerd op biologische structuren zoals bladeren en libellevleugels. Een hoofdlengtestructuur leverde de globale vorm, gemaakt met dikke diameter depositie en hogere materiaalconcentraties voor stijfheid. Secundaire structuren werden gevormd door gedeponeerde netwerken van dunner-diameter en lagere-concentratie materialen. Het productiesysteem gebruikte diverse technieken om deze structuren te bouwen: toepassen van verschillende concentratieoplossingen langs bepaalde paden, digitaal controleren van druk tijdens depositie om materiaalbreedte en -hoogte te controleren en herhalende lagen. Deze strategieën werden gecodeerd in de positie, snelheid, druk en materiaalinstructies die in real-time naar de KUKA robot (positionering) en extrusie eind-effector (depositie) werden gestuurd.

Om te beginnen, werden structuren gemodelleerd in een CAD-programma en vervolgens aangepaste slicing-software converteerde dit naar geprinte lagen. Het digitale controlsysteem testte en optimaliseerde depositiepaden. Geometrische toolpaden die controle en bediening van het extrusiesysteem boden, werden ontworpen met Rhino3D modelsoftware (Robert McNeel and Associates, VS) en de scripting plugin Grasshopper.

Het systeem codeerde vervolgens een array van onafhankelijke parameters geassocieerd met het digitale ontwerp alsook basismechanische en chemische materiaaleigenschappen. Het modereerde ook platform-afhankelijke beperkingen gegeven door het fabricagesysteem zoals viscositeiten, afschuifsnelheden, vattypes, hardware responstijden en/of envelopgrootte. Al deze parameters werden gecombineerd met ontwerp-specifieke variaties zoals zuigertype, materialesamestelling en tijdsafhankelijke drukkaarten. De resulterende berekeningen gaven de benodigde stroomsnelheden, vatvulpatronen en positioneringssnelheden. Ten slotte werden aangepaste fabricage-instructies gegenereerd, die beweeg- en extrusiecommando's naar de positionerings- en depositiesystemen respectievelijk codeerden.

Onderzoek naar nieuwe structuren

Fabricagetrials beschreven door Mogas-Soldevila omvatten een 50-centimeter lange structuur geïnspireerd op libellevleugels. De structurele "aderen" werden gemaakt van chitosane gel verdikt met natuurlijk natriumalginate poeder, waarop een duidelijke trekweerstandmembraan van 3% chitosane gel over werd gelegd. Vanwege de zelfherstellende eigenschappen van de materialen, werd de membraan tijdens depositie aan de aderen gebonden. Dit concept werd verder verkend in diverse bladerachtige structuren tot 3 meter lang. In een ander voorbeeld werd een 5 x 15-millimeter rooster plat gedeponeerd met een oplossing van cellulosa microvezel in 2% chitosane gel. Terwijl het droogde, vormde het een 50-centimeter lange cylinder, gebruikmakend van de mogelijkheid om interne verdampingsstressen te ontwerpen zoals hierboven besproken.

Deze technologie werd gepioneerd door Jorge Duro-Royo, architect en ingenieur en hoofdonderzoeker bij de MIT Mediated Matter Group onder Prof. Neri Oxman, en verder ontwikkeld in de Aguahoja projecten waar huidachtige structuren ("hojas") werden gecreëerd en gevormd met watergebaseerde oplossingen ("agua"). Aguahoja I omvatte een 5-meter hoog architectuurpaviljoen (Fig. 2) en een bibliotheek van materiaalexperimenten die in 2018 getoond werden en toen verworven door het San Francisco Museum of Modern Art (SFMOMA, Calif., VS) voor de permanente collectie. Aguahoja II was onderdeel van een 2019 tentoonstelling gecoördineerd door het Cube Design Museum (Kerkrade, Nederland) en het Cooper Hewitt, Smithsonian Design Museum (New York, NY, VS).

Het robotische fabricageplatform in Aguahoja projecten evolueerde om zowel robot- als gantry-gebaseerde systemen te omvatten. Het paviljoen bestond uit 95 individuele 3D-geprinte segmenten. De witte ruggengraat was geprint met een off-the-shelf F900 fused deposition modeling (FDM) systeem en acrylonitril styreen acrylaat (ASA) thermoplast. De meerdere biocomposietpanelen werden ontworpen met varierende graden van stijfheid, flexibiliteit en dekkendheid om regio's te creëren die dienen als structuur, raam en milieufilter. Sommige van de materialen in Aguahoja I veranderen in reactie op vocht en hitte, andere donkeren of verlichten naarmate de seizoenen wisselen. De materialen variëren van bros en transparant tot flexibel en leerachtig, maar allemaal kunnen geprogrammeerd worden om in water af te breken (bijv. regen), waardoor de bestandbouwensten teruggegeven worden aan het natuurlijke ecosysteem.

Mogas-Soldevila heeft sindsdien een doctoraat voltooid aan The Silklab binnen Tufts Biomedical Engineering (Medford, Mass., VS), kijkend naar hoe zijde en andere natuurlijke vezels en materialen te gebruiken, inclusief degene waar ze op MIT mee werkte. Ze is nu assistentprofessor Architectuur aan de University of Pennsylvania Stuart Weitzman School of Design waar ze lesgeeft en onderzoek doet naar materiaal-gedreven ontwerp op het snijvlak van duurzaamheid en geavanceerde levenswetenschappen. Enkele van haar recente werk kan gevonden worden op dumolab.com. "Dit zijn materialen die uit de natuur komen en heel gemakkelijk functioneerbaar zijn — we kunnen ze mengen, doppen en transformeren. We kunnen ze eigenlijk afstemmen op specifieke fabricagecapaciteiten. We kijken naar wat er morgen komt."