木材を3Dプリントするには？

はじめに: 新しい木材や廃棄された木材を細かい粉末に粉砕し、ケイ酸ナトリウム、セメント、セルロース、石膏、プラスチック、接着剤などの結合剤と混合してフィラメントを作ることができます。これらのフィラメントはオブジェクトの 3D プリントに使用できます。これについてはこの記事でさらに詳しく説明します。

△写真提供：Emil Soeueud/Shutterstock.com

3D プリントとは何ですか?
3D プリントは、コンピュータ支援設計 (CAD) から物理的な製品を製造できるコンピュータ支援製造 (CAM) の一種です。減算成形などの従来の製造方法と比較して、3D プリント技術は低コストのカスタマイズ製品と原材料の効率的な利用を提供できます。

3D プリント技術ではさまざまな材料が使用されます。一般的に使用されるポリマーには、アクリロニトリルブタジエンスチレン (ABS)、ポリ乳酸 (PLA)、ポリアミド、ポリビニルアルコール (PVAc) などがあり、無機材料には金、銀、ステンレス鋼、チタンなどの金属、コンクリート、砂、セラミック、石膏などがあります。また、紫外線硬化樹脂や環境に有害な合成化学物質などの高価な材料もあり、3D プリントの進歩をある程度妨げています。

3D プリントの材料としての木材<br /> 木材は自然界に豊富に存在するため、3D プリントで木質バイオマスを使用すると、次のようないくつかの利点があります。
● 石膏やプラスチック、多機能ナノ複合材料、バイオポリマーと組み合わせたバイオマスは、3D プリントされたオブジェクトの高いコストと二酸化炭素排出量を削減するのに役立ちます。
●3Dプリントに木材を使用することで、環境に優しい3Dプリント部品の製造が可能になります。

まず木材を細かい粉末に粉砕し、次にケイ酸ナトリウム、セメント、セルロース、石膏、プラスチック、接着剤などの結合剤と混合してフィラメントを作ります。これらのフィラメントは、さまざまな技術を使用してオブジェクトを 3D プリントするために使用されます。

△木から3Dプリントされた物体へ

木材 3D プリント技術<br /> 木粉を使用できる 3D プリントの方法と技術には、バインダージェッティング、マテリアルジェッティング、パウダーベッドフュージョン、マテリアルエクストルージョンなど、いくつかの種類があります。

△木粉を使った3Dプリント

CAD ソフトウェアは通常、オブジェクトを 3D スキャンするために使用されます。これらの設計は、その後、Additive Manufacturing Files (AMF) または STL (ステレオリソグラフィー) タイプに変換されます。これらのファイルには、材料の種類、色、サイズなどの重要な特性が含まれています。次に、ファイルは 3D プリンターに送られ、スライスされた情報に基づいてオブジェクトが製造されます。 3D プリンターで必要な部品を印刷した後、最終製品を得るために機械加工や熱処理、化学処理などの後処理手順が必要になります。

利点と制限事項<br /> 従来の方法と比較して、この技術により科学者は複雑な構造をその場で生成することができ、あらゆる形状やデザインの家具を作成するのに役立ちます。廃木材から採取した木粉は、目的の製品を 3D プリントするのにも使用できるため、製造プロセスがより環境に優しくなります。同時に、材料は豊富にあるため、この技術を利用して複雑な部品を家庭で作ることもできます。

低コストや豊富な供給などの特性により、木材は 3D プリントにとって大きな可能性を秘めています。木粉は製造における環境とコスト関連の問題を解決することができます。さらに、バイオ接着剤は、接着剤として木粉と一緒に使用することで、環境問題をさらに軽減することができます。

3D プリントに木粉を使用すると、機械的特性や物理的特性が低下するなど、いくつかの欠点があります。ただし、後硬化技術を適用し、適切な粒子サイズを使用し、改質剤を使用し、印刷パラメータを制御することで、製品品質に関連するこれらの課題に対処できます。これらの技術には、3Dプリンターのノズルが木粉で詰まってしまうなど、技術的な課題もあります。この分野はまだ発展途上であるため、粉末の品質の影響について多くの研究が必要です。たとえば、樹種や粒子の形状は粉末の品質に影響を与える可能性があります。したがって、木材と粒子の形状の選択が重要になります。

△ フィラメントおよび印刷製品の木粉含有量と特性

最新の研究<br /> スウェーデン農業科学大学が最近発表した研究によると、研究者らはバインダージェッティング技術を使用して、木粉をベースにした3Dオブジェクトを印刷することに成功した。彼らはヨーロッパシロアリや乾材シロアリを食べて松の木から木粉を得ます。これらの粉末粒子の直径はそれぞれ 10～50 μm と 45～100 μm です。研究者らは、3D プリントに市販の 3D プリンター (RX-1、Prometal RCT GmbH、ドイツ、アウクスブルク) と水性バインダー (PM-B-SR2-02) を使用しました。熱硬化プロセス中に架橋が起こります。これらの機械で使用される 3D プリントされた乾材シロアリ粉の層の厚さは 800 ミクロンですが、ヨーロッパの住宅では 100 ミクロンです。

△乾燥した木材シロアリの糞を充填したバインダースプレーパウダーベッド

3D プリントに最適なフィラメント組成を見つけるために、印刷パラメータが木材粒子の品質にどのように影響するか、たとえば、異なる種類の木材が木材粒子の品質にどのように影響するかについての研究は十分に行われていません。印刷された複合材の品質は、針葉樹や広葉樹など、さまざまな種類の木材の異なる構造によって影響を受ける可能性があります。したがって、これらの 3D プリントされたオブジェクトについてさらに詳しく知るには、さらなる研究が必要です。

参考文献:
Das, AK, Agar, DA, Rudolfsson, M., & Larsson, SH (2021). 3D プリントにおける木粉のレビュー: プロセス、特性、および潜在的な用途。材料研究技術ジャーナル、15、241-255。https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.07.110

Plarre, R., Zocca, A., Spitzer, A., Benemann, S., Gorbushina, AA, Li, Y., ... & Günster, J. (2021). 生物学的原料の探求：ハウスボアと乾材シロアリの糞から木質粒子を3Dプリント。PloS one、16(2)、e0246511。https://doi.org/10.1371/journal.pone.0246511

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