瑞士創(chuàng)紀(jì)錄3D打印出纖維素含量高達(dá)27％的部件

來源：蓋世汽車

據(jù)南極熊了解，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）與瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實驗室（Empa）創(chuàng)造了一項世界紀(jì)錄，他們3D打印了復(fù)雜物件，而該部件的纖維素含量比利用增材制造工藝打造的其他纖維素基部件的還要高。

（圖片來源：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院與瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實驗室）

樹木和其他植物能夠自己生產(chǎn)纖維素，并利用纖維素打造具有非凡機(jī)械性能的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，因此，對于尋求制造具有特殊功能可持續(xù)產(chǎn)品的材料科學(xué)家而言，非常具有吸引力。不過，將材料加工成高含量纖維素的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，仍是一項巨大的挑戰(zhàn)。

（圖片來源：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院與瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實驗室）

然而，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院與瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實驗室的一組研究人員發(fā)現(xiàn)了利用3D打印技術(shù)加工纖維素的方法，制造出了極其復(fù)雜、但是含有大量纖維素顆粒的物體。

為了實現(xiàn)該目標(biāo)，研究人員通過墨水直寫（direct ink writing，DIW）法，將打印技術(shù)與隨后的致密工藝結(jié)合，將打印物體的纖維素提高至27%。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院與瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實驗室的研究人員承認(rèn)，不是首家采用3D打印機(jī)處理纖維素的機(jī)構(gòu)。不過，之前的方法也采用了含有纖維素的墨水，但無法生產(chǎn)出纖維素含量如此之高的復(fù)雜固體物體。打印墨水的組成極其簡單，只由水組成，水中混合了纖維素顆粒以及幾百納米大小的纖維，纖維素含量占墨水總量的6%至14%。

（圖片來源：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院與瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實驗室）

研究人員采用以下方法，將打印出來的纖維素產(chǎn)品進(jìn)行了致密化：利用纖維素基水墨打印物體后，將物體放入含有有機(jī)溶劑的槽中。由于纖維素不喜歡有機(jī)溶劑，所以纖維素顆粒會聚集，從而導(dǎo)致被打印的物體收縮，最終使材料中纖維素顆粒的相對數(shù)量顯著增加。

接下來，科學(xué)家們將此類物體浸泡在含有光敏塑料前體的溶液中。通過蒸發(fā)除去溶劑，該塑料前體會滲入到纖維素基支架中；接下來，為了將塑料前體轉(zhuǎn)化為固體塑料，科學(xué)家們將該物體暴露在紫外線下，從而產(chǎn)生了一種復(fù)合材料，纖維素含量達(dá)到了27%。

（圖片來源：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院與瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實驗室）

此外，根據(jù)采用的塑料前體的類型，研究人員能夠調(diào)整被打印物體的機(jī)械性能，例如彈性和強(qiáng)度，從而讓他們能夠根據(jù)應(yīng)用的不同，打造堅硬或柔軟物體。采用此種方法，研究人員能夠制造出各種各樣的復(fù)合物體，如只有1毫米厚的火焰雕塑等。不過，如果厚度超過5毫米，被打印部件進(jìn)行致密化會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，因為對物體進(jìn)行致密化會讓物體表面比核心收縮更快。

研究人員們用X射線分析以及機(jī)械測試法研究了該物體，發(fā)現(xiàn)纖維素納米晶體的排列方式與天然材料中的相似，表明可以控制被打印物體的纖維素微結(jié)構(gòu)，從而制造出與生物系統(tǒng)中微結(jié)構(gòu)類似的材料，如木材。

被打印物體的尺寸仍然很小，但是有很多潛在應(yīng)用，從定制包裝到耳朵的軟管替代植入物等。研究人員還根據(jù)人體模型打印了一只耳朵，不過，在此種產(chǎn)品能夠用于臨床實踐之前，還需要進(jìn)行更多的臨床試驗研究。此種纖維素技術(shù)也引起了汽車行業(yè)的興趣，而且日本汽車制造商利用該技術(shù)打造了一款跑車原型，該車車身幾乎全部采用纖維素基材料制成。