新的木質(zhì)3D打印材料可用于制造自我組裝的平板家具

2022年8月26日，南極熊獲悉，來(lái)自耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新型的木質(zhì)3D打印材料，可以變形為預(yù)先設(shè)計(jì)的形狀。

這種生態(tài)友好型原料由木粉和植物提取物的混合物制成，由于其木材成分中的纖維方向?qū)е缕湓诟稍飼r(shí)發(fā)生扭曲，因此能夠產(chǎn)生變形。雖然該團(tuán)隊(duì)幾年前就開(kāi)發(fā)出了這種材料，但他們最近發(fā)現(xiàn)，通過(guò)控制材料的鋪設(shè)方式，他們可以對(duì)其水分含量的蒸發(fā)進(jìn)行計(jì)算，從而使其能夠形成復(fù)雜的物體。

到目前為止，科學(xué)家們已經(jīng)將他們的木質(zhì)墨水3D打印成馬鞍形、圓頂形和螺旋形的模型，但隨著進(jìn)一步的發(fā)展，這種墨水材料還可以被用來(lái)創(chuàng)造更復(fù)雜的自組裝物體，例如家用家具。

木材的獨(dú)特變形潛力

眾所周知，在自然界中某些種類(lèi)的植物和動(dòng)物可以改變形狀、外觀或甚至紋理。當(dāng)涉及到木材時(shí)，這種能力來(lái)自于其纖維的方向，這導(dǎo)致它不均勻地收縮和翹曲，正如在被砍伐的樹(shù)木中看到的那樣。然而，在3D打印中，翹曲可能被視為一個(gè)需要處理的問(wèn)題，但該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正以不同的方式來(lái)處理它。

最近在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)（ACS）的一次會(huì)議上公布了耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)材料突破的研究生Doron Kam解釋說(shuō)："翹曲可能是一個(gè)障礙，但我們認(rèn)為我們可以嘗試?yán)斫膺@種現(xiàn)象，并將其利用為一種理想的變形。"

雖然人工結(jié)構(gòu)一般不具備自行改變形狀的能力，但科學(xué)家們已經(jīng)越來(lái)越多地研究了在熱、pH值或水分刺激下觸發(fā)時(shí)可以變形的材料的潛力。這個(gè)位于以色列的研究團(tuán)隊(duì)聲稱(chēng)，該領(lǐng)域的研究通常僅限于從凝膠和彈性體中3D打印出平板，而這些材料在本質(zhì)上是合成的。

△研究人員的一個(gè)螺旋形原型。照片來(lái)自耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)的Doron Kam

未來(lái)3D打印的對(duì)手是宜家？

為了利用木材的自然變形能力，研究人員現(xiàn)在已將其整合到一種由水以及纖維素納米晶體和木聚糖組成的材料中，木聚糖是從植物中提取的天然粘合劑。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種原料的行為可以通過(guò)調(diào)整用于沉積它的噴頭的速度和打印路徑來(lái)精確控制。

具體來(lái)說(shuō)，研究發(fā)現(xiàn)任何收縮都是垂直于油墨中的木質(zhì)纖維，而調(diào)整其沉積速度可以改變這些纖維的排列方式。因此，加速打印過(guò)程使木質(zhì)墨水材料以可預(yù)測(cè)的方式翹起，而緩慢沉積則使其木質(zhì)成分變得隨機(jī)定向，并向各個(gè)方向收縮。

在測(cè)試過(guò)程中，已經(jīng)證明有可能將兩個(gè)矩形層的原料堆疊成具有不同方向的螺旋線(xiàn)，同時(shí)調(diào)整其翹曲度以控制其螺旋的方向。此外，該團(tuán)隊(duì)還預(yù)計(jì)他們的材料可以用于3D打印家具項(xiàng)目，例如以扁平包裝的方式打印椅子，然后在開(kāi)業(yè)時(shí)變成客戶(hù)訂購(gòu)的產(chǎn)品。

在短期內(nèi)，以色列的科學(xué)、技術(shù)和太空項(xiàng)目部門(mén)將專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)使材料變形過(guò)程可逆的潛力。在這項(xiàng)工作中，研究人員將開(kāi)發(fā)一種能夠讓他們的材料對(duì)環(huán)境因素（如濕度）做出反應(yīng)的方法，最終可以用來(lái)使其恢復(fù)到原來(lái)的形態(tài)。

△Forust公司3D打印的木制品。照片來(lái)自Forust公司

推進(jìn)木材的3D打印的可行性

雖然以色列團(tuán)隊(duì)的變形發(fā)現(xiàn)無(wú)疑是創(chuàng)新的，但他們的成果距離真正投入使用仍有一定的距離。在類(lèi)似的案例中，2021年3月，麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)了一種實(shí)驗(yàn)室種植的可3D打印木質(zhì)材料，據(jù)預(yù)測(cè)有望被部署到環(huán)保家具的制造中。

同樣，幾個(gè)月前在弗萊堡大學(xué)推出了一種生態(tài)友好型木材3D打印材料，已經(jīng)顯示出在建筑或輕工業(yè)應(yīng)用中使用的潛力。該團(tuán)隊(duì)的生物合成聚合物由木質(zhì)素與纖維素球混合組成，據(jù)說(shuō)可與直接墨水寫(xiě)入（DIW）和熔融沉積成型（FDM）3D打印機(jī)兼容。