新的木質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，來自耶路撒冷希伯來大學的研究人員已經開發(fā)出一種新型的木質3D打印材料，可以變形為預先設計的形狀。

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導致其在干燥時發(fā)生扭曲，因此能夠產生變形。雖然該團隊幾年前就開發(fā)出了這種材料，但他們最近發(fā)現(xiàn)，通過控制材料的鋪設方式，他們可以對其水分含量的蒸發(fā)進行計算，從而使其能夠形成復雜的物體。

到目前為止，科學家們已經將他們的木質墨水3D打印成馬鞍形、圓頂形和螺旋形的模型，但隨著進一步的發(fā)展，這種墨水材料還可以被用來創(chuàng)造更復雜的自組裝物體，例如家用家具。

木材的獨特變形潛力

眾所周知，在自然界中某些種類的植物和動物可以改變形狀、外觀或甚至紋理。當涉及到木材時，這種能力來自于其纖維的方向，這導致它不均勻地收縮和翹曲，正如在被砍伐的樹木中看到的那樣。然而，在3D打印中，翹曲可能被視為一個需要處理的問題，但該團隊現(xiàn)在正以不同的方式來處理它。

最近在美國化學學會（ACS）的一次會議上公布了耶路撒冷希伯來大學材料突破的研究生Doron Kam解釋說："翹曲可能是一個障礙，但我們認為我們可以嘗試理解這種現(xiàn)象，并將其利用為一種理想的變形。"

雖然人工結構一般不具備自行改變形狀的能力，但科學家們已經越來越多地研究了在熱、pH值或水分刺激下觸發(fā)時可以變形的材料的潛力。這個位于以色列的研究團隊聲稱，該領域的研究通常僅限于從凝膠和彈性體中3D打印出平板，而這些材料在本質上是合成的。

△研究人員的一個螺旋形原型。照片來自耶路撒冷希伯來大學的Doron Kam

未來3D打印的對手是宜家？

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。該團隊已經發(fā)現(xiàn)，這種原料的行為可以通過調整用于沉積它的噴頭的速度和打印路徑來精確控制。

具體來說，研究發(fā)現(xiàn)任何收縮都是垂直于油墨中的木質纖維，而調整其沉積速度可以改變這些纖維的排列方式。因此，加速打印過程使木質墨水材料以可預測的方式翹起，而緩慢沉積則使其木質成分變得隨機定向，并向各個方向收縮。

在測試過程中，已經證明有可能將兩個矩形層的原料堆疊成具有不同方向的螺旋線，同時調整其翹曲度以控制其螺旋的方向。此外，該團隊還預計他們的材料可以用于3D打印家具項目，例如以扁平包裝的方式打印椅子，然后在開業(yè)時變成客戶訂購的產品。

在短期內，以色列的科學、技術和太空項目部門將專注于開發(fā)使材料變形過程可逆的潛力。在這項工作中，研究人員將開發(fā)一種能夠讓他們的材料對環(huán)境因素（如濕度）做出反應的方法，最終可以用來使其恢復到原來的形態(tài)。

△Forust公司3D打印的木制品。照片來自Forust公司

推進木材的3D打印的可行性

雖然以色列團隊的變形發(fā)現(xiàn)無疑是創(chuàng)新的，但他們的成果距離真正投入使用仍有一定的距離。在類似的案例中，2021年3月，麻省理工學院開發(fā)了一種實驗室種植的可3D打印木質材料，據(jù)預測有望被部署到環(huán)保家具的制造中。

同樣，幾個月前在弗萊堡大學推出了一種生態(tài)友好型木材3D打印材料，已經顯示出在建筑或輕工業(yè)應用中使用的潛力。該團隊的生物合成聚合物由木質素與纖維素球混合組成，據(jù)說可與直接墨水寫入（DIW）和熔融沉積成型（FDM）3D打印機兼容。