可持續(xù)木結(jié)構(gòu)的重大進(jìn)步，研究人員利用天然成分開發(fā)3D打印木材

2024年3月21日，南極熊獲悉，萊斯大學(xué)（Rice University）的研究人員已經(jīng)釋放了使用3D打印制造可持續(xù)木結(jié)構(gòu)的潛力，為傳統(tǒng)制造方法提供了一種更環(huán)保的替代方案。一旦該研究取得成果，其影響將是深遠(yuǎn)的，有可能徹底改變家具和建筑等行業(yè)。

△該研究已發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上，題目為“木材3D打印”（傳送門）

木材在成型過程中的浪費(fèi)一直是令人擔(dān)憂的問題，不僅增加了成本，還對(duì)環(huán)境造成了不良影響。為解決這一難題，萊斯大學(xué)的材料科學(xué)和納米工程研究人員開發(fā)出了一種無添加劑的水基墨水，由木質(zhì)素和纖維素（木材的基本成分）制成。這種墨水可用于通過一種被稱為直接墨水書寫 (DIW)的3D打印技術(shù)，生產(chǎn)出建筑學(xué)上錯(cuò)綜復(fù)雜的木質(zhì)結(jié)構(gòu)。

△顯示木結(jié)構(gòu)3D打印的工藝示意圖

使用納米級(jí)木材成分進(jìn)行3D打印的研究成果

萊斯大學(xué)材料科學(xué)與納米工程助理研究教授Muhammad Rahman表示：“直接利用木材自身的天然成分來制造木質(zhì)結(jié)構(gòu)，為更環(huán)保和創(chuàng)新的未來奠定了基礎(chǔ)。這預(yù)示著一個(gè)可持續(xù)3D打印木結(jié)構(gòu)的新時(shí)代的來臨。”

△萊斯大學(xué)材料科學(xué)與納米工程助理研究教授 Muhammad Rahman（中）和他的團(tuán)隊(duì)

工程教授兼材料科學(xué)和納米工程主席Benjamin M.和Mary Greenwood Anderson表示，與之前嘗試的方法不同，這種方法專門使用納米級(jí)木材成分進(jìn)行3D打印，標(biāo)志著該領(lǐng)域的重大進(jìn)步。

該研究的主要合著者M(jìn)SH Thakur和Chen Shi表示，該大學(xué)的研究重點(diǎn)是通過調(diào)整木質(zhì)素、纖維素納米纖維和納米晶體的比例來優(yōu)化墨水的成分，同時(shí)保持天然木質(zhì)素-纖維素平衡。

△研究團(tuán)隊(duì)展示的3D打印木制物品

項(xiàng)目合作者、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室高級(jí)研發(fā)人員Amit Naskar指出，雖然木質(zhì)素是地球上最豐富的生物聚合物之一，但它卻是工業(yè)中價(jià)值最低的產(chǎn)品。

研究團(tuán)隊(duì)表示，打印后進(jìn)行全面分析，以評(píng)估3D打印木材的表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并將其與天然木材對(duì)應(yīng)物進(jìn)行比較。結(jié)果表明，在紋理、氣味和強(qiáng)度方面，與天然木材非常相似。

△3D打印木材的機(jī)械性能測(cè)試數(shù)據(jù)。這些結(jié)果有助于評(píng)估3D打印木材的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)特征，并為該技術(shù)的應(yīng)用提供了重要參考

此外，還進(jìn)行了機(jī)械測(cè)試來評(píng)估抗壓和抗彎強(qiáng)度，結(jié)果顯示出優(yōu)于天然輕木的良好表現(xiàn)。

總之，通過直接墨水書寫利用納米級(jí)構(gòu)建塊來3D打印木材，其意義在于為木材的回收利用提供了一種新的途徑，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的建筑木結(jié)構(gòu)和開發(fā)機(jī)械堅(jiān)固且功能齊全的混合3D打印木結(jié)構(gòu)提供了可能性。這種技術(shù)有望在木材工程和建筑領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用，為創(chuàng)造更具可持續(xù)性和多功能性的產(chǎn)品提供了新的解決方案。