可持續(xù)木結構的重大進步，研究人員利用天然成分開發(fā)3D打印木材

2024年3月21日，南極熊獲悉，萊斯大學（Rice University）的研究人員已經釋放了使用3D打印制造可持續(xù)木結構的潛力，為傳統制造方法提供了一種更環(huán)保的替代方案。一旦該研究取得成果，其影響將是深遠的，有可能徹底改變家具和建筑等行業(yè)。

△該研究已發(fā)表在《科學進展》雜志上，題目為“木材3D打印”（傳送門）

木材在成型過程中的浪費一直是令人擔憂的問題，不僅增加了成本，還對環(huán)境造成了不良影響。為解決這一難題，萊斯大學的材料科學和納米工程研究人員開發(fā)出了一種無添加劑的水基墨水，由木質素和纖維素（木材的基本成分）制成。這種墨水可用于通過一種被稱為直接墨水書寫 (DIW)的3D打印技術，生產出建筑學上錯綜復雜的木質結構。

△顯示木結構3D打印的工藝示意圖

使用納米級木材成分進行3D打印的研究成果

萊斯大學材料科學與納米工程助理研究教授Muhammad Rahman表示：“直接利用木材自身的天然成分來制造木質結構，為更環(huán)保和創(chuàng)新的未來奠定了基礎。這預示著一個可持續(xù)3D打印木結構的新時代的來臨。”

△萊斯大學材料科學與納米工程助理研究教授 Muhammad Rahman（中）和他的團隊

工程教授兼材料科學和納米工程主席Benjamin M.和Mary Greenwood Anderson表示，與之前嘗試的方法不同，這種方法專門使用納米級木材成分進行3D打印，標志著該領域的重大進步。

該研究的主要合著者MSH Thakur和Chen Shi表示，該大學的研究重點是通過調整木質素、纖維素納米纖維和納米晶體的比例來優(yōu)化墨水的成分，同時保持天然木質素-纖維素平衡。

△研究團隊展示的3D打印木制物品

項目合作者、橡樹嶺國家實驗室高級研發(fā)人員Amit Naskar指出，雖然木質素是地球上最豐富的生物聚合物之一，但它卻是工業(yè)中價值最低的產品。

研究團隊表示，打印后進行全面分析，以評估3D打印木材的表面和內部結構，并將其與天然木材對應物進行比較。結果表明，在紋理、氣味和強度方面，與天然木材非常相似。

△3D打印木材的機械性能測試數據。這些結果有助于評估3D打印木材的力學性能和結構特征，并為該技術的應用提供了重要參考

此外，還進行了機械測試來評估抗壓和抗彎強度，結果顯示出優(yōu)于天然輕木的良好表現。

總之，通過直接墨水書寫利用納米級構建塊來3D打印木材，其意義在于為木材的回收利用提供了一種新的途徑，同時也為實現復雜的建筑木結構和開發(fā)機械堅固且功能齊全的混合3D打印木結構提供了可能性。這種技術有望在木材工程和建筑領域中發(fā)揮重要作用，為創(chuàng)造更具可持續(xù)性和多功能性的產品提供了新的解決方案。