3D打印模仿木材的超微结构 以实现环保制造技术

瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员成功地使用木质油墨进行3D打印,模仿木材的独特“超微结构”。这项研究可以通过模仿木材的天然蜂窝结构来创造绿色产品,从而创造出源自树木独特属性的绿色产品。

木材生长的方式由其遗传密码控制,这使其在孔隙度,韧性和扭转强度方面具有独特的性质。然而,木材在加工方面存在局限性。与许多其他材料不同,木材通常无法熔化或重塑木材,但必须锯切,刨平或弯曲。

在正常的传统工艺之外思考,查尔姆斯理工大学的团队能够提出新技术,使木材通过3D打印介质实际成长为最终产品的理想形状。此外,他们还添加了半纤维素,一种来自植物的天然成分,就像胶水一样。

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(实木和3D打印版本的显微图像显示了研究人员如何模仿真实木材的细胞结构。印刷版本更大,更易于处理

最近有关Chalmers研究的新闻稿提到“将木材转化为纸张,卡片和纺织品等产品的过程可能会破坏木材细胞的基本超微结构或结构。但现在正在通过3D打印技术开发新技术。实际上,木材会变成最终产品所需的形状。“

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(Paul Gatenholm教授)

木浆先前已转化为纳米纤维素凝胶,以成功解释和数字化木材的遗传密码。这意味着现在可以在印刷过程中精确控制纤维素纳米纤维的排列,以实际复制木材的理想超微结构。能够管理方向和形状意味着它们可以捕获天然木材的有用特性。

随着3D打印技术的发展,世界各地的研究人员,开发人员和制造商正在不断研究各种材料。令人惊讶的是,可以使用多少种不同类型的塑料,金属,纤维,油墨等来制造复杂的几何形状。即使是与木材一样独特的材料也被用于数字木材和复杂的纹理,轮胎技术以及木材的创新,作为塑料的更好替代品。

通过这种新的超微结构,研究人员发现了使用木质复合油墨制作各种物品的潜力,包括:

●包装

●衣服

●家具

●医疗保健和个人护理产品

一旦查尔莫斯研究人员获得这些材料,他们就可以将项目提升到新的水平,因为他们开始使用墨水“引导3D打印机”并创建一个显示木质纤维素优势的结构。

“这是制造技术的突破。它使我们能够超越自然界限,创造出新的可持续绿色产品。这意味着现在基于森林的那些产品现在可以在更短的时间内进行3D打印。目前在3D中金属和印刷中使用的塑料可以用可再生的,可持续的替代品替代,“Chalmers技术大学Wallenberger木材科学中心负责该研究的Paul Gatenholm教授说。

新技术开辟了全新的可能性。与天然木材相比,现在可以根据订单设计和“种植”木制品 - 大大缩短了时间尺度。

Paul Gatenholm的团队开发了一种创新包装概念的原型。它们打印出一个蜂窝结构,在印刷壁之间有一个腔室,然后尝试将固体颗粒封装在这些腔室中。纤维素具有优异的氧气阻隔性能,这意味着它可能是一种用于为食品或药品创造气密包装的有前景的方法。

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(蜂窝结构,其中固体颗粒被封装在印刷壁之间的气隙中。纤维素具有优异的氧气阻隔性,这意味着这可能是一种

“以这种方式生产产品可以节省大量资源和有害排放物,”Gatenholm说。 “想象一下,例如,如果我们能够开始在当地打印包装,那将意味着取代当今的工业,严重依赖塑料和二氧化碳运输。包装可以按照订单设计和制造,没有任何浪费。“

“植物的原材料极易再生,因此可以在较长的太空旅行,月球或火星上生产原材料。如果你正在种植食物,你可能会得到纤维素和半纤维素,“Paul Gatenholm说。

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(显微图像显示研究人员如何精确控制纤维素纳米纤维的取向,就像天然木材在不同方向生长一样

Gatenholm还设想在太空中使用其材料和产品的潜力,研究人员已经在欧洲航天局(ESA)的研讨会上成功展示了他们的技术,并与佛罗里达理工学院和NASA合作。另一个项目,包括微重力材料的测试。