木材如何实现3D打印？它是否有未来前景？

南极熊导读，为具体的实现木材3D打印，可以将新木材或废木材研磨成细粉与粘合剂混合制成细丝，最终这些细丝耗材可用于构建3D打印物。对于这种技术，本文将对此进行进一步讨论。

△木材3D打印示意图。图片来自Shutterstock

木材作为3D打印材料
该材料在自然界中很丰富，在3D打印中，使用木质生物质有几个优点。生物质与石膏和塑料、多功能纳米复合材料和生物聚合物相结合，有助于降低3D打印成本和减少碳排放。

此外，使用木材更加环保。木材首先被研磨成细粉，然后与硅酸钠、水泥、纤维素、石膏、塑料和粘合剂等粘合剂混合制成细丝。这些细丝采用不同的3D打印技术用于制造构建物。

△龙头3D STL模型。图片来自etsy

3D打印技术
有几种类型的3D打印方法和技术——可以使用粘合剂喷射、材料喷射、粉末床熔合和材料挤压等。

可以使用CAD软件对物体进行3D扫描。然后将这些设计转换为3D打印文件(AMF)或STL（立体光刻类型。这些文件包含材料类型、颜色和尺寸等重要特征。然后将该文件传输到3D打印机内，该打印机根据执行命令打印所需的组件。在取得零件后，还需要进行机械加工和热处理或化学处理等，才能获得最终产品。

广泛的应用前景
使用3D打印机和带有粘合剂的木粉，就可以进行木材打印。

与传统方法相比，这项技术使人们可以轻易的生产，基于木头的复杂结构，这有助于制造任何复杂形状或设计现代家具。来自可回收物和相当于废料的木粉，就是原材料。因此，由于材料获取方式方便，因此可以在家中使用这种技术制造复杂的组件。

△木材作为3D打印材料应用示意图。图片来自aliexpress

优点和局限性
低成本和丰富的获取来源，赋予了木材用于3D打印的巨大潜力。此外，生物粘合剂与木粉一起用作粘合剂时，可进一步减少环境问题。

但是，就目前使用木粉进行3D打印有几个缺点，例如，降低了构建体的机械和物理性能。然而，人们采用后固化技术、结合适当的粒径、使用改性剂和控制打印参数等，在一定程度上，可以解决与产品质量相关的问题。

同时，这些技术也存在一些技术难点，例如3D打印机的喷嘴被木粉堵塞。这是由于该领域技术相对较新，因此需要对粉末质量，进行大量研究来解决这些问题。例如，树种和颗粒几何形状，都会是影响粉末质量的因素之一。因此，木材和颗粒几何形状的选择，同样非常关键。

△干木白蚁碎屑进行3D打印，碎屑颗粒大约比3D打印中使用的粉末大一个数量级。图片来自journals

最新的研究
2021年2月，南极熊获悉，瑞典农业科学大学发表了一项研究，研究人员能够使用粘合剂喷射技术，打印基于木粉的3D物体。该粉末是一种特殊的材料（通过喂食欧洲蛀虫和干木白蚁后，产生的木粉），这些粉末颗粒的直径分别为1050 μm和45-100 μm。

△a)欧洲蛀虫(Hylotrupes bajulus)成熟的幼虫(顶部)和成虫(底部); b）由幼虫排泄并用于3D打印的筛分碎屑（粒径为45至100μm）。图片来自journals

欧洲蛀虫 (EHB) 的幼虫和干木白蚁的 Frass（由钻孔昆虫活动产生的细粉状垃圾或易碎的穿孔木材），被测试用于3D打印木质材料的天然和新型原料。使用了由干木白蚁Incisitermes marginipennis和EHB Hylotrupes bajulus，在建筑木材中喂食时产生的小颗粒。Frass是一种质量特别稳定的粉状材料，本质上是经过生物处理的木材，混合了木材和粪便的碎片。

然后，这些研究人员使用商用3D打印机（RX-1，Prometal RCT GmbH德国）与水基粘合剂 (PM-B-SR2-02)进行3D打印。在热固化过程中，通过观察，它们之间发生了交联现象。并且，俩种虫子所提供的原材料性能存在一定的差别，EHB 碎屑呈片状结构，堆积密度差，而白蚁碎屑由大小几乎均匀的颗粒组成，堆积良好。尽管填充密度不同，但两种原料都可以用于粘合剂喷射3D打印。白蚁颗粒的短轴尺寸为580 μm，长轴尺寸为1050 μm，比3D打印中通常使用的粉末大约大一个数量级。在打印家具等木制物品时，粗粒粉末可以沉积更厚的层和更高的施工率。

这里可以获取更多文献内容
Plarre, R., Zocca, A., Spitzer, A., Benemann, S., Gorbushina, AA, Li, Y., ... & Günster, J. (2021)。寻找生物原料材料：3D 打印来自蛀虫和干木白蚁碎片的木屑。公共科学图书馆一号，16（2），e0246511。https://doi.org/10.1371/journal.pone.0246511（点我传送门）

关于打印参数如何影响木材颗粒的质量，包括不同类型的木材如何影响木材颗粒的质量，目前还没有足够的研究数据。但是，打印复合材料的质量可能会受到不同类型木材（如软木和硬木）的不同结构的影响。因此，需要进一步人们进一步研究。