Растворительная цифровая fabricación высокопроизводительных композитных материалов

Природа создает удивительно прочные, универсальные и адаптивные структуры, растущие и функционирующие в ответ на среду — деревья, кости, хитин. Последний формирует как твердую раковину, так и гибкие суставы ракообразных. Природные конструкции производят минимум отходов, требуют мало энергии и перерабатываются в конце жизненного цикла. В отличие от этого, искусственные конструкции обычно прескриптивны, потребляют много энергии, генерируют токсичные отходы и в основном не перерабатываются. По данным EPA США за 2018 год, процент переработки составляет лишь 9% для пластиков (без изменений с 2010), 25% для стекла и 33% для металлов (оба ниже 2010 года). Хотя цифровое проектирование и fabricación быстро развиваются, позволяя производить сложные многофункциональные структуры, эти технологии еще не достигли аналогичного прогресса в устойчивости.

Этим вдохновением и целью стал проект Water-Based Digital Fabrication (Водная цифровая фабрикация), разработанный группой Mediated Matter в MIT Media Lab (Кембридж, Массачусетс, США) начиная с 2013 года. Инициатива разработала новую технологию цифрового производства, объединяющую самые обильные на Земле природные материалы с роботизированной управляемой системой многокамерной экструзии, наносящей вариации концентраций биокомпозитных растворов — первым был хитин из раковин ракообразных и уксусная кислота — для создания структур с анизотропными свойствами. Градиенты механических, химических и оптических свойств формируются на масштабах от миллиметров до метров, достигая не только уникальных геометрий и многофункциональности, но и потенциала структурной самоорганизации. Например, влажные отложения можно спроектировать так, чтобы они формировали формы (цилиндр) при высыхании под действием направленных испарительных напряжений в многослойных композитах.

Эта растворительная цифровая фабрикация рассматривалась как мост между биологической и построенной средами, с потенциальными применениями в устойчивых архитектурных панелях, перерабатываемой упаковке, потребительских товарах или легких биоразлагаемых автомобильных деталях. Позже MIT исследовал композиты с целлюлозными микроволокнами, пектином, водорослями и керамическими нанопластинами. Но что, если объединить эту водную цифровую депозицию с быстро развивающимися технологиями аддитивной экструзии с непрерывными и короткими волокнами в современных 3D-печатаемых композитах?

Почему раствор хитозана?

Изначальные эксперименты проекта использовали хитосан, получаемый из хитина. Второе по обильности природное полимерное вещество после целлюлозы, хитин имеет похожую химическую структуру и составляет не только высокомодульные, высокопрочные раковины ракообразных и насекомых, но и прочную, но гибкую ткань их суставов. Природные материалы — особенно полимеры и полисахариды вроде хитина и целлюлозы — предоставляют огромный возобновляемый ресурс, производимый с гораздо большей скоростью, чем синтетические полимеры, объясняет Лайя Могас-Сольдевила, одна из ключевых исследовательниц MIT в этом проекте. Она утверждает, что производные полисахаридов могут заменить нефтехимические полимеры, предоставляя новые комбинации свойств и позволяя более устойчивое производство.

Могас-Сольдевила дает отличный обзор разработки технологии MIT в своей диссертации 2015 года «Водная цифровая проектировка и фабрикация: материал, продукт и архитектурные исследования в печати хitozана и его композитов». Она объясняет, что идея растворительной цифровой фабрикации пришла из изучения струйных и сопловых биофабрикационных методов для производства мягких материалов как каркасов для роста тканей.

Решено попробовать сопловое 3D-депозирование с порошком хitozана, обработанным в гель при массово-объемных концентрациях (w/v) 1-12% с использованием 4% w/v уксусной кислоты в водном растворе. Эти гидрогели варьировались от полупрозрачной жидкости вязкостью как жидкий мед при 3% до непрозрачного материала консистенции натурального каучука при 12% (Рис. 1). Начальные результаты депонированных и высохших пленок хitozана показали предельную прочность на растяжение 40 МПа, что Могас-Сольдевила описала как сравнимое с полимером нейлон или деревом в направлении волокна. Структуры фабrikoвались и отвердевали при комнатной температуре.

Новая платформа цифрового производства

Специализированная роботизированная аддитивная платформа, разработанная MIT для депонирования гелей хitozана, сочетала шестиосевой роботизированный манипулятор KUKA (Аугсбург, Германия) Agilus KR1100 (платформа 54 кг, грузоподъемность 10 кг, повторяемость/точность ±0,03 мм) с экструзионным конечным эффектором. Новый конечный эффектор содержал шесть барелей для гелей хitozана, подключенных к компьютерно-контролируемой пневматической системе с положительным (резервуар сжатого воздуха) и отрицательным (вакуумный насос) давлением, цифровым регулятором PSI и двумя шаговыми моторами для контроля экструзии.

Вес конечного эффектора с загруженными шприцами и материалом составлял 4 кг. Типичные расходы варьировались от 8 до 4000 мм³/с через сопла с внутренним диаметром 0,5–8 мм. Линейная скорость системы — 10–50 мм/с. Область депонирования — 1000 мм на 500 мм, однако ограничения по длине позже устранены скользящей печатью.

Шаговые моторы, пневматическая система и роботизированная рука цифрово контролировались для координации соотношений подачи/скорости, обеспечения вариативных соотношений смешения и скоростей экструзии, настройки давления и скорости депонирования на лету в зависимости от желаемых геометрий экструзии и свойств материала. Роботизированное движение и экструзия не были жестко связаны — обе функции были независимы — что позволяло независимо управлять каждым моторным шприцем и перемещением конечного эффектора. Система успешно производила крупномасштабные 3D-формы без форм и достигала широкого спектра геометрических форм с вариабельными структурными свойствами.

От цифрового дизайна к депонированию

Первоначальные испытания фабрикации основывались на биологических структурах — листьях и крыльях стрекоз. Основная продольная структура обеспечивала глобальную форму, изготавливаемая более толстыми депонированиями и более высокими концентрациями материала для жесткости. Вторичные структуры формировались задепозированными сетками более тонких диаметров и низких концентраций. Производственная система использовала несколько техник: нанесение растворов разной концентрации по определенным путям, цифровой контроль давления при депонировании для управления шириной и высотой материала, и повторяющееся наслаивание. Эти стратегии кодировались в инструкции по позиции, скорости, давлению и материалу, отправляемые в реальном времени к роботу KUKA (позиционирование) и экструзионному эффектору (депонирование).

Сначала структуры моделировались в CAD, затем пользовательское слайсер-софтвер конвертировал их в печатаемые слои. Цифровая система контроля тестировала и оптимизировала пути депонирования. Геометрические инструментальные пути для управления системой экструзии проектировались в Rhino3D (Robert McNeel and Associates, США) и его плагине Grasshopper.

Система затем кодировала массив независимых параметров, связанных с цифровым дизайном, а также базовые механические и химические свойства материалов. Также учитывались ограничения платформы, данные фабрикационной системой: вязкости, сдвиговые скорости, типы барелей, временные отклики оборудования и/или размеры оболочки. Все эти параметры комбинировались с дизайн-специфическими вариациями: тип сопла, состав материала, временные карты давления. Результатом были необходимые расходы, паттерны заправки барелей и скорости позиционирования. Наконец, генерировались пользовательские инструкции фабрикации, кодирующие команды движения и экструзии для систем позиционирования и депонирования соответственно.

Исследование новых структур

Испытания фабрикации, описанные Могас-Сольдевилой, включают 50-сантиметровую структуру, вдохновленную крыльями стрекоз. Её структурные «жилы» были сделаны из геля хitozана, загущенного натуральным порошком натриевого альгината, на который накладывалась прозрачная мембрана из 3% геля хitozана, устойчивая к растяжению. Благодаря способностям материалов к саморегенерации, мембрана связывалась с жилами при депонировании. Концепция развивалась в различные листоподобные структуры длиной до 3 метров. В другом примере сетка 5×15 мм депонировалась плоско с раствором целлюлозных микроволокон в 2% геле хitozана. При высыхании она формировала 50-сантиметровый цилиндр, используя способность проектировать внутренние испарительные напряжения, обсужденные выше.

Эта технология была первопроходцем Хорхе Дуро-Рохо, архитектором и инженером, ведущим исследователем группы Mediated Matter MIT под руководством проф. Нери Оксман, и развивалась в проектах Aguahoja, где создавались кожные структуры («охас») и формировались водными растворами («агуа»). Aguahoja I включал 5-метровый архитектурный павильон (Рис. 2) и библиотеку материалов, выставленную в 2018 году и приобретенную Музеем современного искусства Сан-Франциско (SFMOMA) для постоянной коллекции. Aguahoja II участвовал в выставке 2019 года, организованной Кубским дизайн-музеем (Керкраде, Нидерланды) и Купер Хьюитт, Смитсоновским дизайн-музеем (Нью-Йорк, США).

Роботизированная платформа в проектах Aguahoja эволюционировала, включая как роботизированные, так и портальные системы. Павильон состоял из 95 отдельных 3D-печатных сегментов. Белый хребет печатался на стандартной FDM-системе F900 из термопластика акрилонитрил-стирол-акрилат (ASA). Множество биокомпозитных панелей проектировались с разной жесткостью, гибкостью и непрозрачностью для создания зон, служащих конструкцией, окном и экологическим фильтром. Некоторые материалы в Aguahoja I меняются в ответ на влажность и тепло, другие темнеют или светлеют с сменой сезонов. Материалы варьируются от хрупких и прозрачных до гибких и кожаных, но все могут быть запрограммированы на деградацию в воде (дожде), возвращая строительные блоки в природную экосистему.

Могас-Сольдевила завершила докторство в Silklab Туфтсского биомедицинского инженерного факультета (Медфорд, Массачусетс, США), изучая шелк и другие природные волокна и материалы, включая те, с которыми работала в MIT. Сейчас она доцент архитектуры в Стюарта Вейтцманской школе дизайна Университета Пенсильвании, где преподает и исследует материал-ориентированный дизайн на стыке устойчивости и передовой биологии. Некоторые недавние работы можно найти на dumolab.com. «Это материалы, приходящие из природы, и их очень легко функционализировать — мы можем их смешивать, легировать и трансформировать. Мы можем настраивать их под конкретные фабрикационные возможности. Мы смотрим на то, что будет завтра».