科學(xué)家將白蟻的糞便回收成循環(huán)經(jīng)濟(jì)3D打印材料

2021年2月24日，南極熊獲悉，德國(guó)聯(lián)邦材料研究與測(cè)試研究所的研究人員，利用白蟻和昆蟲(chóng)的垃圾開(kāi)發(fā)出一種可持續(xù)的新型3D打印材料。

利用微小蟲(chóng)子進(jìn)食后留下的粉末狀木質(zhì)顆粒和糞便，科學(xué)家們能夠炮制出一種獨(dú)特的循環(huán)經(jīng)濟(jì)原料，這種原料可以在沒(méi)有任何聚合物添加劑的情況下進(jìn)行粘結(jié)劑噴射3D打印。這種生物基材料產(chǎn)生的零件強(qiáng)度低，但尺寸精度高，有可能成為未來(lái)創(chuàng)造環(huán)保花絲結(jié)構(gòu)的理想材料。

△研究人員利用白蟻胎毛成功地3D打印出了尺寸精度為200μm的立方體結(jié)構(gòu)，照片來(lái)自Plos One期刊

從糞便到原料

隨著世界不斷尋求可持續(xù)的制造解決方案，3D打印在行業(yè)內(nèi)常常被認(rèn)為比傳統(tǒng)生產(chǎn)方式更環(huán)保。

天然原料不僅對(duì)地球更好，而且使用戶能夠在生產(chǎn)過(guò)程中盡早確定產(chǎn)品的生命周期，并相應(yīng)調(diào)整產(chǎn)量。這種自制材料還可以通過(guò)回收工廠車間的垃圾來(lái)配制，使其具有成本效益和可持續(xù)發(fā)展解決方案的潛力。

鑒于粘結(jié)劑噴射幾乎可以處理所有粉末狀原料，經(jīng)常被用作測(cè)試新型配方的手段。然而，將這些材料提煉成具有適當(dāng)粒度的粉末仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，德國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種新的顆粒，來(lái)源竟然是：白蟻。

△粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)原理

昆蟲(chóng)的消化系統(tǒng)將非均勻的木材轉(zhuǎn)化為緊湊的纖維素-木質(zhì)素混合物，無(wú)需進(jìn)一步加工就適合3D打印。雖然之前基于木材的原料需要聚合物添加劑來(lái)打印或使用其他結(jié)合相，但白蟻碎屑不需要，這使得它獨(dú)特的易于加工。

△科學(xué)家們的3D打印立方體結(jié)構(gòu)（如圖）具有低水平的包裝密度，圖片來(lái)自Plos One期刊

用白蟻糞便進(jìn)行3D打印

為了制造木質(zhì)原料，科學(xué)家們飼養(yǎng)了一個(gè)小型的歐洲家蠹(EHBs)和白蟻養(yǎng)殖場(chǎng)，在收集它們的糞便的同時(shí)喂養(yǎng)它們六個(gè)月。結(jié)果證明，所有白蟻的六面顆粒狀糞便的大小幾乎完全相同，并表現(xiàn)出極好的流動(dòng)性，成為3D打印的理想材料。

有了足夠的原材料后，團(tuán)隊(duì)就使用商用3D打印機(jī)的熱固化站將它們與ExOne粘結(jié)劑交聯(lián)，產(chǎn)生了一組立方體標(biāo)本。有趣的是，通過(guò)改變系統(tǒng)的粘結(jié)劑飽和度參數(shù)，研究人員能夠確定提供可調(diào)節(jié)孔隙度水平的結(jié)構(gòu)的比率。

在層厚度方面，使用白蟻糞便可以達(dá)到的最佳可重復(fù)性結(jié)果是800微米，而EHB被證明在100微米時(shí)更準(zhǔn)確。同樣，團(tuán)隊(duì)的骰子狀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是200μm左右的尺寸精度，但它也受到過(guò)飽和的影響，除了低填料密度。

部件表現(xiàn)出較低的機(jī)械強(qiáng)度，盡管科學(xué)家們理論上認(rèn)為滲透可以增強(qiáng)堅(jiān)固性，但他們承認(rèn)材料并不適合打印 "即用型物體"。 研究人員仍然認(rèn)為EHB frass具有作為創(chuàng)建花絲結(jié)構(gòu)的原料的潛力， 需要通過(guò)后處理進(jìn)行加固。

研究人員的研究結(jié)果詳見(jiàn)題為 “Searching for biological feedstock material: 3D printing of wood particles from house borer and drywood termite frass.”的論文。論文由Rudy Plarre、Andrea Zocca、Andrea Spitzer、Sigrid Benemann、Anna A. Gorbushina、Yuexuan Li、Anja Waske、Alexander Funk、Janka Wilbig和Jens Günster共同撰寫。

編譯自：3dprintingindustry