Трехмерная печать по дереву

Трехмерная печать по дереву. 

Three-dimensional printing of wood

ШАДЖЕДУЛ ХОК ТХАКУР, ЧЭНЬ ШИАДЖАЯН, НАСКАРM. A. S. R.СААДИ КИРНИ, МУХАММАД М. РАХМАН 

Достижения науки,  2024, Том 10, Выпуск 11

DOI: 10.1126/sciadv.adk3250

АННОТАЦИЯ

Натуральное дерево на протяжении тысячелетий служило основным материалом для зданий, мебели и архитектурных сооружений, которые обычно формировались с помощью технологий субтрактивного производства. Однако в результате этого процесса часто образуются значительные отходы древесины, что приводит к неэффективности материалов и увеличению производственных затрат. Потенциальная возможность возникает, если с помощью аддитивных процессов можно создавать сложные структуры из древесины. Здесь мы демонстрируем чернила на водной основе без добавок, изготовленные из лигнина и целлюлозы, основных строительных блоков натуральной древесины, которые можно использовать для трехмерной (3D) печати архитектурных деревянных конструкций методом прямого письма чернилами. Получаемые печатные структуры после термической обработки очень напоминают визуальные, текстурные, обонятельные и макроанизотропные свойства, включая механические, натурального дерева. Наши результаты прокладывают путь к созданию деревянных конструкций с 3D-печатью, обеспечивающих устойчивый путь к переработке натурального дерева.

Введение

На протяжении бесчисленных веков натуральное дерево служило основным материалом для широкого спектра целей, включая строительство зданий, изготовление мебели и создание архитектурных сооружений (1, 2). Традиционно для придания формы дереву использовались технологии производства с уменьшением объема. Однако в результате этого процесса часто образуется значительное количество отходов, что приводит к потерям материала и увеличению производственных затрат. В свете растущих опасений, связанных с экологичностью и необходимостью эффективного управления отходами, переработка древесных отходов стала насущной необходимостью (3–5). В настоящее время переработка древесных отходов в основном ограничивается их традиционным использованием, таким как топливо, мульча, наполнитель для древесностружечных плит, наполнитель для осадка сточных вод, компост и подстилка для животных. Однако важно признать, что древесные отходы обладают неиспользованным потенциалом, поскольку их можно разложить на основные строительные блоки.

А) Схема процесса, показывающая 3D-печать архитектурных элементов из дерева.

В) Напечатанные образцы различной архитектуры. Слева: одноногий стол со стулом, вид стола сверху, показывающий ячеистую архитектуру с логотипом Rice University посередине, стул за четырехногим столом (ножки распечатаны и собраны отдельно), вид сот сверху, прямолинейная конструкция и буквы WOOD.

Мельчайший микроструктурный компонент древесины называется микрофибриллой, которая представляет собой пучок целлюлозных цепочек, имеющих как кристаллические, так и аморфные участки, покрытые лигнином. В его состав входят углеводы целлюлозы (~ 70%) в качестве наполнителя и лигнин (~ 25%) в виде непрерывной фазы, наряду с другими второстепенными компонентами (6). Как правило, они служат ценным ресурсом для производства различных материалов на биологической основе для функциональных и конструкционных применений (7-19). Лигнин - один из самых распространенных биополимеров на Земле. Содержащийся в основном в клеточных стенках растений, он также является наименее ценным продуктом в таких отраслях, как коммерческие бумажные фабрики и биоочистительные заводы (20-22). Целлюлоза, с другой стороны, является универсальным полисахаридом с большим потенциалом, особенно потому, что ее можно преобразовать в наноцеллюлозу, наноматериал с исключительными механическими свойствами, который открывает возможности для применения в высокоэффективных структурах на биологической основе (16, 23, 24). Мы изучаем перспективу рекомбинации этих материалов на биологической основе (наноматериалов лигнина и целлюлозы), в изобилии имеющихся в древесных отходах, для изготовления деревянных конструкций методом "снизу вверх", а не традиционным методом "сверху вниз", рассмотренным выше.

-------  

Комментарий РЛК:

Поскольку костра конопли довольна близка по характеристикам к древесной щепе, метод может быть перспективен для переработки конопли