木材如何進(jìn)行3D打印？

導(dǎo)讀：新的或廢棄的木材可以研磨成細(xì)粉，然后與硅酸鈉、水泥、纖維素、石膏、塑料和粘合劑等粘合劑混合制成細(xì)絲。這些細(xì)絲可用于3D打印物體，本文將對此進(jìn)行進(jìn)一步討論。

△圖片來源：Emil Soeueud/Shutterstock.com

什么是3D打??？
3D 打印是一種計算機(jī)輔助制造 (CAM)，可以通過計算機(jī)輔助設(shè)計 (CAD) 生產(chǎn)實體產(chǎn)品。與減材成型等傳統(tǒng)制造方法相比，3D打印技術(shù)能夠提供低成本的定制產(chǎn)品和高效的原材料利用率。

3D打印技術(shù)使用了多種材料；常用的聚合物有丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS)、聚乳酸 (PLA)、聚酰胺、聚乙烯醇 (PVAc)，以及無機(jī)材料，包括金、銀、不銹鋼、鈦​​等金屬以及混凝土、沙子、陶瓷和石膏。也有一些昂貴的材料，如紫外線固化樹脂和具有生態(tài)毒性的合成化學(xué)品，這些材料在某種程度上阻止了3D打印的發(fā)展。

木材作為3D打印材料
木材在自然界中很豐富，在3D打印中使用木質(zhì)生物質(zhì)有幾個優(yōu)點：
●生物質(zhì)與石膏和塑料、多功能納米復(fù)合材料和生物聚合物相結(jié)合，有助于降低 3D 打印物體的高成本和碳足跡。
●使用木材進(jìn)行3D打印能實現(xiàn)環(huán)保的3D打印部件的生產(chǎn)。

木材首先被研磨成細(xì)粉，然后與硅酸鈉、水泥、纖維素、石膏、塑料和粘合劑等粘合劑混合制成細(xì)絲。這些細(xì)絲然后用于使用不同的技術(shù) 3D 打印物體。


△從樹到3D打印物體

木材3D打印技術(shù)
有幾種類型的 3D 打印方法和技術(shù)可以使用木粉，比如粘合劑噴射、材料噴射、粉末床融合和材料擠壓。


△基于木粉的3D打印

通常是使用CAD軟件對物體進(jìn)行3D掃描。然后將這些設(shè)計轉(zhuǎn)換為增材制造文件(AMF)或STL（立體光刻）類型。這些文件包含材料類型、顏色和尺寸等重要特征。然后將該文件饋送到3D打印機(jī)，打印機(jī)根據(jù)切片信息進(jìn)行制造。在3D打印機(jī)打印出所需的零件后，還需要進(jìn)行機(jī)械加工和熱處理或化學(xué)處理等后處理程序才能獲得最終產(chǎn)品。

優(yōu)點和局限性
與傳統(tǒng)方法相比，這項技術(shù)使科學(xué)家能夠就地生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這有助于制造任何形狀或設(shè)計的家具。來自廢棄木材的木粉也可用于3D打印所需產(chǎn)品，這使制造過程更加環(huán)保。同時，由于材料豐富，人們也可以在家中使用這種技術(shù)制造復(fù)雜的組件。

低成本和豐富的供應(yīng)等屬性賦予木材用于3D打印的巨大潛力。木粉可以解決制造中的環(huán)境和成本相關(guān)問題。此外，生物粘合劑與木粉一起用作粘合劑時，可進(jìn)一步減少環(huán)境問題。

使用木粉進(jìn)行 3D 打印有幾個缺點，例如降低機(jī)械和物理性能。然而，應(yīng)用后固化技術(shù)、使用適當(dāng)?shù)牧健⑹褂酶男詣┖涂刂朴∷?shù)可以解決與產(chǎn)品質(zhì)量相關(guān)的這些挑戰(zhàn)。這些技術(shù)也存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)，例如3D打印機(jī)的噴嘴被木粉堵塞。由于該領(lǐng)域剛剛發(fā)展，因此需要對粉末質(zhì)量的影響進(jìn)行大量研究。例如，樹種和顆粒幾何形狀會影響粉末質(zhì)量。因此，木材和顆粒幾何形狀的選擇非常關(guān)鍵。


△木粉含量與長絲和打印品的特性

最新研究
在瑞典農(nóng)業(yè)科學(xué)大學(xué)最近發(fā)表的一項研究中，研究人員能夠使用粘合劑噴射技術(shù)打印基于木粉的3D物體。他們通過鉆孔歐洲蛀蟲和干木白蟻從松木中獲得木粉。這些粉末顆粒的直徑分別為1050 μm 和 45-100 μm。研究人員使用商用3D打印機(jī)（RX-1，Prometal RCT GmbH，奧格斯堡，德國）水基粘合劑 (PM-B-SR2-02) 進(jìn)行 3D 打印。在熱固化過程中，發(fā)生了交聯(lián)。這些用于干木白蟻粉末的 3D 打印機(jī)層的厚度為800微米，而歐洲房屋的厚度為100微米。




△填充有干木白蟻糞便的粘合劑噴射粉床

對于打印參數(shù)如何影響木材顆粒的質(zhì)量，例如不同類型的木材是如何影響木材顆粒質(zhì)量的，目前還沒有足夠的研究來找到用于3D打印的最佳長絲組合物。打印復(fù)合材料的質(zhì)量會受到不同類型木材（如軟木和硬木）的不同結(jié)構(gòu)的影響。因此，需要進(jìn)一步研究以了解有關(guān)這些3D打印物體的更多信息。


參考來源：
Das, A. K., Agar, D. A., Rudolfsson, M., & Larsson, S. H. (2021). A review on wood powders in 3D printing: Processes, properties and potential applications. journal of materials research and technology, 15, 241-255. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.07.110

Plarre, R., Zocca, A., Spitzer, A., Benemann, S., Gorbushina, A. A., Li, Y., ... & Günster, J. (2021). Searching for biological feedstock material: 3D printing of wood particles from house borer and drywood termite frass. PloS one, 16(2), e0246511. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0246511