木材如何實現(xiàn)3D打��？它是否有未來前景？

南極熊導(dǎo)讀，為具體的實現(xiàn)木材3D打印，可以將新木材或廢木材研磨成細(xì)粉與粘合劑混合制成細(xì)絲，最終這些細(xì)絲耗材可用于構(gòu)建3D打印物。對于這種技術(shù)，本文將對此進(jìn)行進(jìn)一步討論。

△木材3D打印示意圖。圖片來自Shutterstock

木材作為3D打印材料
該材料在自然界中很豐富，在3D打印中，使用木質(zhì)生物質(zhì)有幾個優(yōu)點。生物質(zhì)與石膏和塑料、多功能納米復(fù)合材料和生物聚合物相結(jié)合，有助于降低3D打印成本和減少碳排放。

此外，使用木材更加環(huán)保。木材首先被研磨成細(xì)粉，然后與硅酸鈉、水泥、纖維素、石膏、塑料和粘合劑等粘合劑混合制成細(xì)絲。這些細(xì)絲采用不同的3D打印技術(shù)用于制造構(gòu)建物。

△龍頭3D STL模型。圖片來自etsy

3D打印技術(shù)
有幾種類型的3D打印方法和技術(shù)——可以使用粘合劑噴射、材料噴射、粉末床熔合和材料擠壓等。

可以使用CAD軟件對物體進(jìn)行3D掃描。然后將這些設(shè)計轉(zhuǎn)換為3D打印文件(AMF)或STL（立體光刻類型。這些文件包含材料類型、顏色和尺寸等重要特征。然后將該文件傳輸?shù)?D打印機(jī)內(nèi)，該打印機(jī)根據(jù)執(zhí)行命令打印所需的組件。在取得零件后，還需要進(jìn)行機(jī)械加工和熱處理或化學(xué)處理等，才能獲得最終產(chǎn)品。

廣泛的應(yīng)用前景
使用3D打印機(jī)和帶有粘合劑的木粉，就可以進(jìn)行木材打印。

與傳統(tǒng)方法相比，這項技術(shù)使人們可以輕易的生產(chǎn)，基于木頭的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這有助于制造任何復(fù)雜形狀或設(shè)計現(xiàn)代家具。來自可回收物和相當(dāng)于廢料的木粉，就是原材料。因此，由于材料獲取方式方便，因此可以在家中使用這種技術(shù)制造復(fù)雜的組件。

△木材作為3D打印材料應(yīng)用示意圖。圖片來自aliexpress

優(yōu)點和局限性
低成本和豐富的獲取來源，賦予了木材用于3D打印的巨大潛力。此外，生物粘合劑與木粉一起用作粘合劑時，可進(jìn)一步減少環(huán)境問題。

但是，就目前使用木粉進(jìn)行3D打印有幾個缺點，例如，降低了構(gòu)建體的機(jī)械和物理性能。然而，人們采用后固化技術(shù)、結(jié)合適當(dāng)?shù)牧�徑、使用改性劑和控制打印參�?shù)等，在一定程度上，可以解決與產(chǎn)品質(zhì)量相關(guān)的問題。

同時，這些技術(shù)也存在一些技術(shù)難點，例如3D打印機(jī)的噴嘴被木粉堵塞。這是由于該領(lǐng)域技術(shù)相對較新，因此需要對粉末質(zhì)量，進(jìn)行大量研究來解決這些問題。例如，樹種和顆粒幾何形狀，都會是影響粉末質(zhì)量的因素之一。因此，木材和顆粒幾何形狀的選擇，同樣非常關(guān)鍵。

△干木白蟻碎屑進(jìn)行3D打印，碎屑顆粒大約比3D打印中使用的粉末大一個數(shù)量級。圖片來自journals

最新的研究
2021年2月，南極熊獲悉，瑞典農(nóng)業(yè)科學(xué)大學(xué)發(fā)表了一項研究，研究人員能夠使用粘合劑噴射技術(shù)，打印基于木粉的3D物體。該粉末是一種特殊的材料（通過喂食歐洲蛀蟲和干木白蟻后，產(chǎn)生的木粉），這些粉末顆粒的直徑分別為1050 μm和45-100 μm。

△a)歐洲蛀蟲(Hylotrupes bajulus)成熟的幼蟲(頂部)和成蟲(底部); b）由幼蟲排泄并用于3D打印的篩分碎屑（粒徑為45至100μm）。圖片來自journals

歐洲蛀蟲 (EHB) 的幼蟲和干木白蟻的 Frass（由鉆孔昆蟲活動產(chǎn)生的細(xì)粉狀垃圾或易碎的穿孔木材），被測試用于3D打印木質(zhì)材料的天然和新型原料。使用了由干木白蟻Incisitermes marginipennis和EHB Hylotrupes bajulus，在建筑木材中喂食時產(chǎn)生的小顆粒。Frass是一種質(zhì)量特別穩(wěn)定的粉狀材料，本質(zhì)上是經(jīng)過生物處理的木材，混合了木材和糞便的碎片。

然后，這些研究人員使用商用3D打印機(jī)（RX-1，Prometal RCT GmbH德國）與水基粘合劑 (PM-B-SR2-02)進(jìn)行3D打印。在熱固化過程中，通過觀察，它們之間發(fā)生了交聯(lián)現(xiàn)象。并且，倆種蟲子所提供的原材料性能存在一定的差別，EHB 碎屑呈片狀結(jié)構(gòu)，堆積密度差，而白蟻碎屑由大小幾乎均勻的顆粒組成，堆積良好。盡管填充密度不同，但兩種原料都可以用于粘合劑噴射3D打印。白蟻顆粒的短軸尺寸為580 μm，長軸尺寸為1050 μm，比3D打印中通常使用的粉末大約大一個數(shù)量級。在打印家具等木制物品時，粗粒粉末可以沉積更厚的層和更高的施工率。

這里可以獲取更多文獻(xiàn)內(nèi)容
Plarre, R., Zocca, A., Spitzer, A., Benemann, S., Gorbushina, AA, Li, Y., ... & Günster, J. (2021)。尋找生物原料材料：3D 打印來自蛀蟲和干木白蟻碎片的木屑。公共科學(xué)圖書館一號，16（2），e0246511。https://doi.org/10.1371/journal.pone.0246511（點我傳送門）

關(guān)于打印參數(shù)如何影響木材顆粒的質(zhì)量，包括不同類型的木材如何影響木材顆粒的質(zhì)量，目前還沒有足夠的研究數(shù)據(jù)。但是，打印復(fù)合材料的質(zhì)量可能會受到不同類型木材（如軟木和硬木）的不同結(jié)構(gòu)的影響。因此，需要進(jìn)一步人們進(jìn)一步研究。