純木材3D打印你見(jiàn)過(guò)嗎？
天然木材作為建筑、家具及建筑結(jié)構(gòu)的基本材料，其歷史可追溯至數(shù)千年前，其成型過(guò)程通常采用減材制造技術(shù)。
但是，這種方法往往會(huì)產(chǎn)生大量的木材廢料，不僅導(dǎo)致材料利用率低下，還會(huì)增加生產(chǎn)成本。如果能夠利用3D打印技術(shù)創(chuàng)造出復(fù)雜的木結(jié)構(gòu)，便能開(kāi)辟出一條新的可能性，這將促進(jìn)天然木材的升級(jí)和回收利用。
近日，萊斯大學(xué)的研究人員在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)創(chuàng)新研究，展示了使用3D打印技術(shù)制造可持續(xù)木結(jié)構(gòu)的巨大潛力，提供了一種比傳統(tǒng)制造方法更加環(huán)保的替代方案。
通過(guò)直接墨水書(shū)寫(xiě)（DIW）技術(shù)生產(chǎn)復(fù)雜木結(jié)構(gòu)，再通過(guò)熱處理，這些打印出的結(jié)構(gòu)在視覺(jué)、質(zhì)地、氣味以及宏觀的各向異性特性上，包括其機(jī)械特性，都與天然木材極為相似。
該研究利用了一種特殊的無(wú)添加劑水基墨水，由天然木材的兩大基本組成部分——木質(zhì)素和纖維素制成。這不僅避免了使用任何粘合劑或外來(lái)聚合物，而且在處理廢木材時(shí)也沒(méi)有使用如丙酮等化學(xué)品，進(jìn)一步減少了環(huán)境負(fù)擔(dān)。這種墨水的制造過(guò)程充分利用了大量的木材廢物，如鋸末和木屑。
為了達(dá)到最佳的打印效果，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種特定的墨水混合比例：25%的木質(zhì)素、37.5%的CNF和CNC，以及適量的水。這種混合物的質(zhì)地類似于粘土，非常適合直接墨水書(shū)寫(xiě) (DIW) 3D打印技術(shù)。與目前市面上約70%成分為PLA的3D打印木絲相比，這種新型木材墨水的使用更加環(huán)保，更加貼近天然木材的特性。
制作和打印木質(zhì)墨水的過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單直接，但要完成從木墨粘土到3D形狀的轉(zhuǎn)換，需要進(jìn)行一系列特定的冷凍和加熱步驟。
首先，打印出的樣本需在干冰下放置30分鐘，然后在-85攝氏度和0.1毫巴的壓力下冷凍干燥48小時(shí)。隨后，將樣本進(jìn)行熱處理，放入預(yù)熱至180攝氏度的烤箱中烘烤20分鐘，必要時(shí)還會(huì)加入熱壓步驟。
盡管這種基于木材的墨水在所有制造步驟中都展現(xiàn)出了可持續(xù)性，但仍需要冷凍干燥和加熱步驟的能源密集性工藝。因此，要更全面地了解該過(guò)程的可持續(xù)性，未來(lái)需要進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和生命周期評(píng)估。
此外，在擴(kuò)大工藝規(guī)模的同時(shí)，還需要對(duì)擠出參數(shù)、油墨配方和流變學(xué)以及復(fù)雜建筑規(guī)模結(jié)構(gòu)的懸垂限制進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。
盡管如此，這種通過(guò)DIW使用納米級(jí)構(gòu)建塊3D打印木材的技術(shù)可以為木材的回收利用、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的建筑木結(jié)構(gòu)以及開(kāi)發(fā)機(jī)械堅(jiān)固且功能齊全的混合3D打印木結(jié)構(gòu)鋪平道路。
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