創(chuàng)建新的生物基3D打印材料

來源：增材之光

田納西州橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的研究人員花費(fèi)了大量時(shí)間研究獨(dú)特的3D打印材料，如聚酯、木質(zhì)素和納米纖維素，這是一種生物衍生的納米材料。現(xiàn)在，ORNL與緬因大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料中心之間的一項(xiàng)新研究合作旨在加大將木制品用作3D打印材料的力度。該團(tuán)隊(duì)將與林業(yè)產(chǎn)品行業(yè)合作，共同開發(fā)新的生物基3D打印材料，可用于制造建筑構(gòu)件、船只和船體模具、風(fēng)力葉片和遮蔽物等產(chǎn)品。

圖1：UMaine先進(jìn)結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料中心的學(xué)生和工作人員從一個(gè)3D模具上抬起船頂，該模具使用在緬因大學(xué)開發(fā)的新型生物材料納米纖維素增強(qiáng)PLA進(jìn)行打印。

本周在華盛頓特區(qū)宣布了這項(xiàng)大規(guī)模的舉措。來自大學(xué)和ORNL的領(lǐng)導(dǎo)，以及能源效率和可再生能源的DoE助理秘書Daniel Simmons，先進(jìn)結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料中心Habib Dagher的創(chuàng)始執(zhí)行董事，以及美國參議員Susan Collins，Lamar Alexander和Angus King都出席了本次的宣布會(huì)，并表示UMaine和ORNL已經(jīng)從美國能源部先進(jìn)制造辦公室獲得了2000萬美元的聯(lián)邦資金。

圖2：[圖片來源: UMaine]

“雖然橡樹嶺是增材制造領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者，但緬因大學(xué)是生物基復(fù)合材料領(lǐng)域的專家。通過共同努力，他們將加強(qiáng)美國對環(huán)境負(fù)責(zé)的先進(jìn)制造業(yè)，并幫助緬因州的森林工業(yè)。”參議員Collins 說。

早在2016年緬因州幾家造紙廠關(guān)門后，參議員Collins和King就請求聯(lián)邦政府幫助挽救緬因州不斷下降的林產(chǎn)品行業(yè)。這導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)發(fā)展評估小組（EDAT）的成立，以便跨機(jī)構(gòu)開展工作，以便為緬因州的農(nóng)村社區(qū)制定經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略。該團(tuán)隊(duì)促成了UMaine與ORNL之間的持續(xù)合作。

“使用緬因州森林產(chǎn)品進(jìn)行3D打印是在緬因州創(chuàng)造新工作的一個(gè)很好的方式，也是一個(gè)很好的提醒，國家實(shí)驗(yàn)室是幫助美國在瞬息萬變的世界經(jīng)濟(jì)中保持競爭力的秘密武器。緬因大學(xué)和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室之間的合作伙伴關(guān)系是科學(xué)和技術(shù)如何幫助美國人在新經(jīng)濟(jì)中繁榮的典范。”參議員Alexander說。

圖3：麻省大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料中心執(zhí)行主任哈比卜·達(dá)格（Habib Dagher）呈現(xiàn)了緬因州的3D打印圖像。這種材料是UMaine開發(fā)的一種木基產(chǎn)品。

今年10月，ORNL的BAAM 3D打印機(jī)將在UMaine安裝，它實(shí)際上被認(rèn)為是纖維素納米纖維（CNF）技術(shù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者。UMaine學(xué)生還可以訪問ORNL的制造業(yè)演示設(shè)施（MDF），而實(shí)驗(yàn)室的工作人員可以在UMaine的復(fù)合材料中心了解纖維素纖維和復(fù)合材料。

打印機(jī)的首要任務(wù)之一是用木基塑料制造船模，但該團(tuán)隊(duì)希望將該技術(shù)應(yīng)用于許多大規(guī)模制造應(yīng)用。

圖4：Habib Dagher（中），先進(jìn)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料中心執(zhí)行董事，負(fù)責(zé)緬因州和田納西州的3D打印展示，表示UMaine和ORNL之間的新制造計(jì)劃將在3D打印中使用木制產(chǎn)品。參議員Angus King（左）和參議員Susan Collins（右）在宣布為該合作提供2000萬美元聯(lián)邦資金。

“這種材料是納米纖維素，基本上是一種樹狀的納米結(jié)構(gòu)。這些材料具有與金屬類似的特性。我們正在把它們放在生物塑料中，這樣我們就可以生產(chǎn)出非常堅(jiān)固的塑料，我們幾乎可以制造任何東西。”Dagher解釋說。

然后該團(tuán)隊(duì)將納米纖維素添加到PLA中。

“緬因大學(xué)正在開展與生物原料相關(guān)的前沿研究以及先進(jìn)制造業(yè)在區(qū)域性工業(yè)中的應(yīng)用。”O(jiān)RNL主任Thomas Zacharia表示，“我們很高興有機(jī)會(huì)擴(kuò)大我們的研究基礎(chǔ)，同時(shí)為UMaine提供我們在ORNL制造示范工廠開發(fā)的領(lǐng)先國家能力。”

該倡議的總體目標(biāo)是尋找木制產(chǎn)品的新用途，以重振緬因州的林產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)，同時(shí)通過將大學(xué)產(chǎn)業(yè)集群與MDF聯(lián)系起來，幫助提高區(qū)域制造業(yè)的實(shí)力。聯(lián)邦資金將在兩個(gè)設(shè)施之間平均分配。

“我們將整合在UMaine的生物基復(fù)合材料和ORNL的3D打印領(lǐng)域20年的研究。這是學(xué)生、教職員工和制造業(yè)的一個(gè)機(jī)會(huì)引擎，他們將與國家最重要的研究實(shí)驗(yàn)室的研究人員并肩工作。將木材分解為納米纖維素結(jié)構(gòu)，將其與生物塑料結(jié)合，并以每小時(shí)數(shù)百磅的速度進(jìn)行打印。我們將與ORNL進(jìn)行的研究將使用可回收的、生物基的、具有成本效益的材料來促進(jìn)下一代制造技術(shù)的發(fā)展，從而鞏固我們地區(qū)的經(jīng)濟(jì)。”Dagher說。

來自UMaine和ORNL的科學(xué)家將在多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行研究，如多尺度建模、CNF生產(chǎn)、干燥、功能化和熱塑性塑料復(fù)合，以及可持續(xù)性生命周期分析。

CNF實(shí)際上可以與鋼材相媲美，并且可以成功地將其添加到塑料中，研究人員可以為強(qiáng)大的、可回收的、生物衍生的材料系統(tǒng)創(chuàng)建可再生原料，這種材料系統(tǒng)甚至可以以每小時(shí)數(shù)百磅的沉積速度進(jìn)行3D打印。此外，使用50％木材的材料可以幫助森林產(chǎn)品行業(yè)開拓新市場。

來源：增材之光