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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用木基油墨成功地进行了3D打印,模仿了木材的独特“超微结构”。这项研究可以彻底改变绿色产品的制造,通过仿效木材的天然蜂窝结构,能够创造源自树木具有独特的性质的绿色产品 。

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。但木材在加工方面有局限性。木材与许多其他材料不同,通常无法选择熔化或重塑木材等选项,而是必须锯切,刨平或弯曲。

在正常的传统工艺范围之外思考,查尔姆斯理工大学的团队能够提出新技术允许木材实际上通过3D打印介质生长成最终产品所需的形状。除此之外,他们还添加了半纤维素,一种来自植物的天然成分,其作用类似于胶合剂。

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(实木组织和3D打印版的显微镜图像显示了研究人员如何模仿真实木材的细胞结构。印刷版的尺寸更大,便于处理和显示,但研究人员能够以任何规模进行印刷)

最近有关Chalmers研究的新闻稿中有提到,“木材在转换为制造纸张,卡片和纺织品等产品的过程会破坏木质细胞的基础超微结构或结构。但是现在提出的新技术通过3D打印技术,实际上可以使木材生长成最终产品所需的形状。“

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(Paul Gatenholm教授)

预先将木浆转化为纳米纤维素凝胶,成功地解释和数字化木材的遗传密码。这意味着现在,在印刷过程中可以精确地控制纤维素纳米纤丝的排列,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、开发人员和制造商不断研究各种材料,令人惊讶的是,有多少种不同类型的塑料,金属,纤维,墨水等都可以用于创建复杂的几何。即使是像木材一样独特的材料也已被用于数字木材和复杂纹理,轮胎技术以及木材作为塑料的更好替代品的创新。

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:

● 打包

● 衣服

● 家具

● 医疗保健和个人护理产品

一旦Chalmers的研究人员获得了这些材料,他们就准备将项目提升到一个新的水平,因为他们开始使用墨水来“指导3D打印机”并创建一个展示木质纤维素优点的结构。

“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。这意味着现在已经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打印中使用的金属和塑料可以用可再生的,可持续的替代品替代,“Paul Gatenholm教授说道,他在查尔姆斯理工大学瓦伦堡木材科学中心领导了这项研究。

新技术开辟了一个全新的可能性领域。与天然木材相比,木质产品现在可以按照订单进行设计和“种植” - 大大缩短了时间尺度。

Paul Gatenholm的团队已经开发出一种创新包装概念的原型。他们打印出蜂窝状结构,在打印壁之间有腔室,然后设法将固体颗粒封装在这些腔室内。纤维素具有优异的氧气阻隔性能,这意味着这可能是一种有前景的方法,用于为食品或药品创造气密包装。

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(蜂窝结构,其中固体颗粒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能,这意味着这可能是一种用于制造气密包装的有前景的方法,例如用于食品或药品)

“以这种方式制造产品可以在资源和有害排放方面节省大量资金,”Gatenholm说。“想象一下,例如,如果我们可以开始在当地打印包装,它将意味着替代当今的行业,严重依赖塑料和生成二氧化碳的运输。包装可以按照订单设计和制造,没有任何浪费。”

“植物的原料是极其可再生的,因此原料可以在较长的太空旅行期间,或在月球上或火星上生产。如果你正在种植食物,可能会获得纤维素和半纤维素,” Paul Gatenholm说。

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(显微镜图像显示了研究人员如何能够精确控制纤维素纳米纤维的取向,以与天然木材生长相同的方式在不同方向上进行印刷)

Gatenholm还设想了在太空中使用其材料和产品的潜力,研究人员已经在欧洲空间局(ESA)的一个研讨会上成功地展示。

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