木材如何进行3D打印？

导读：新的或废弃的木材可以研磨成细粉，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。这些细丝可用于3D打印物体，本文将对此进行进一步讨论。

△图片来源：Emil Soeueud/Shutterstock.com

什么是3D打印？
3D 打印是一种计算机辅助制造 (CAM)，可以通过计算机辅助设计 (CAD) 生产实体产品。与减材成型等传统制造方法相比，3D打印技术能够提供低成本的定制产品和高效的原材料利用率。

3D打印技术使用了多种材料；常用的聚合物有丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS)、聚乳酸 (PLA)、聚酰胺、聚乙烯醇 (PVAc)，以及无机材料，包括金、银、不锈钢、钛​​等金属以及混凝土、沙子、陶瓷和石膏。也有一些昂贵的材料，如紫外线固化树脂和具有生态毒性的合成化学品，这些材料在某种程度上阻止了3D打印的发展。

木材作为3D打印材料
木材在自然界中很丰富，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 打印物体的高成本和碳足迹。
●使用木材进行3D打印能实现环保的3D打印部件的生产。

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。这些细丝然后用于使用不同的技术 3D 打印物体。


△从树到3D打印物体

木材3D打印技术
有几种类型的 3D 打印方法和技术可以使用木粉，比如粘合剂喷射、材料喷射、粉末床融合和材料挤压。


△基于木粉的3D打印

通常是使用CAD软件对物体进行3D扫描。然后将这些设计转换为增材制造文件(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。然后将该文件馈送到3D打印机，打印机根据切片信息进行制造。在3D打印机打印出所需的零件后，还需要进行机械加工和热处理或化学处理等后处理程序才能获得最终产品。

优点和局限性
与传统方法相比，这项技术使科学家能够就地生产复杂结构，这有助于制造任何形状或设计的家具。来自废弃木材的木粉也可用于3D打印所需产品，这使制造过程更加环保。同时，由于材料丰富，人们也可以在家中使用这种技术制造复杂的组件。

低成本和丰富的供应等属性赋予木材用于3D打印的巨大潜力。木粉可以解决制造中的环境和成本相关问题。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。

使用木粉进行 3D 打印有几个缺点，例如降低机械和物理性能。然而，应用后固化技术、使用适当的粒径、使用改性剂和控制印刷参数可以解决与产品质量相关的这些挑战。这些技术也存在一些技术挑战，例如3D打印机的喷嘴被木粉堵塞。由于该领域刚刚发展，因此需要对粉末质量的影响进行大量研究。例如，树种和颗粒几何形状会影响粉末质量。因此，木材和颗粒几何形状的选择非常关键。


△木粉含量与长丝和打印品的特性

最新研究
在瑞典农业科学大学最近发表的一项研究中，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。他们通过钻孔欧洲蛀虫和干木白蚁从松木中获得木粉。这些粉末颗粒的直径分别为1050 μm 和 45-100 μm。研究人员使用商用3D打印机（RX-1，Prometal RCT GmbH，奥格斯堡，德国）水基粘合剂 (PM-B-SR2-02) 进行 3D 打印。在热固化过程中，发生了交联。这些用于干木白蚁粉末的 3D 打印机层的厚度为800微米，而欧洲房屋的厚度为100微米。




△填充有干木白蚁粪便的粘合剂喷射粉床

对于打印参数如何影响木材颗粒的质量，例如不同类型的木材是如何影响木材颗粒质量的，目前还没有足够的研究来找到用于3D打印的最佳长丝组合物。打印复合材料的质量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，需要进一步研究以了解有关这些3D打印物体的更多信息。


参考来源：
Das, A. K., Agar, D. A., Rudolfsson, M., & Larsson, S. H. (2021). A review on wood powders in 3D printing: Processes, properties and potential applications. journal of materials research and technology, 15, 241-255. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.07.110

Plarre, R., Zocca, A., Spitzer, A., Benemann, S., Gorbushina, A. A., Li, Y., ... & Günster, J. (2021). Searching for biological feedstock material: 3D printing of wood particles from house borer and drywood termite frass. PloS one, 16(2), e0246511. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0246511