瑞士创纪录3D打印出纤维素含量高达27％的部件

来源：盖世汽车

据南极熊了解，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）与瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）创造了一项世界纪录，他们3D打印了复杂物件，而该部件的纤维素含量比利用增材制造工艺打造的其他纤维素基部件的还要高。

（图片来源：苏黎世联邦理工学院与瑞士联邦材料科学与技术实验室）

树木和其他植物能够自己生产纤维素，并利用纤维素打造具有非凡机械性能的复杂结构，因此，对于寻求制造具有特殊功能可持续产品的材料科学家而言，非常具有吸引力。不过，将材料加工成高含量纤维素的复杂结构，仍是一项巨大的挑战。

（图片来源：苏黎世联邦理工学院与瑞士联邦材料科学与技术实验室）

然而，苏黎世联邦理工学院与瑞士联邦材料科学与技术实验室的一组研究人员发现了利用3D打印技术加工纤维素的方法，制造出了极其复杂、但是含有大量纤维素颗粒的物体。

为了实现该目标，研究人员通过墨水直写（direct ink writing，DIW）法，将打印技术与随后的致密工艺结合，将打印物体的纤维素提高至27%。

苏黎世联邦理工学院与瑞士联邦材料科学与技术实验室的研究人员承认，不是首家采用3D打印机处理纤维素的机构。不过，之前的方法也采用了含有纤维素的墨水，但无法生产出纤维素含量如此之高的复杂固体物体。打印墨水的组成极其简单，只由水组成，水中混合了纤维素颗粒以及几百纳米大小的纤维，纤维素含量占墨水总量的6%至14%。

（图片来源：苏黎世联邦理工学院与瑞士联邦材料科学与技术实验室）

研究人员采用以下方法，将打印出来的纤维素产品进行了致密化：利用纤维素基水墨打印物体后，将物体放入含有有机溶剂的槽中。由于纤维素不喜欢有机溶剂，所以纤维素颗粒会聚集，从而导致被打印的物体收缩，最终使材料中纤维素颗粒的相对数量显著增加。

接下来，科学家们将此类物体浸泡在含有光敏塑料前体的溶液中。通过蒸发除去溶剂，该塑料前体会渗入到纤维素基支架中；接下来，为了将塑料前体转化为固体塑料，科学家们将该物体暴露在紫外线下，从而产生了一种复合材料，纤维素含量达到了27%。

（图片来源：苏黎世联邦理工学院与瑞士联邦材料科学与技术实验室）

此外，根据采用的塑料前体的类型，研究人员能够调整被打印物体的机械性能，例如弹性和强度，从而让他们能够根据应用的不同，打造坚硬或柔软物体。采用此种方法，研究人员能够制造出各种各样的复合物体，如只有1毫米厚的火焰雕塑等。不过，如果厚度超过5毫米，被打印部件进行致密化会导致结构变形，因为对物体进行致密化会让物体表面比核心收缩更快。

研究人员们用X射线分析以及机械测试法研究了该物体，发现纤维素纳米晶体的排列方式与天然材料中的相似，表明可以控制被打印物体的纤维素微结构，从而制造出与生物系统中微结构类似的材料，如木材。

被打印物体的尺寸仍然很小，但是有很多潜在应用，从定制包装到耳朵的软管替代植入物等。研究人员还根据人体模型打印了一只耳朵，不过，在此种产品能够用于临床实践之前，还需要进行更多的临床试验研究。此种纤维素技术也引起了汽车行业的兴趣，而且日本汽车制造商利用该技术打造了一款跑车原型，该车车身几乎全部采用纤维素基材料制成。