木材の 3D プリントを実現するにはどうすればよいでしょうか?将来はあるのでしょうか?

木材の 3D プリントを実現するにはどうすればよいでしょうか?将来はあるのでしょうか?
この投稿は Bingdunxiong によって 2022-5-26 15:42 に最後に編集されました

南極のクマの紹介: 木材 3D プリントを実現するには、新しい木材または廃木材を細かく粉砕し、バインダーと混ぜてフィラメントを作ります。最後に、これらのフィラメントを使用して 3D プリントされたオブジェクトを構築します。この技術についてはこの記事でさらに詳しく説明します。

△木材3Dプリントの模式図。画像提供:Shutterstock
3D プリントの材料としての木材<br /> この材料は自然界に豊富に存在するため、3D プリントに木質バイオマスを使用すると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 プリントのコストと炭素排出量の削減に役立ちます。

さらに、木材を使用することで環境にも優しいです。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 3D 印刷技術を使用して構造物を作成するために使用されます。

△蛇口の3D STLモデル。 etsyからの画像
3D プリント技術<br /> 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、マテリアル押し出しなど、いくつかの種類があります。

CAD ソフトウェアを使用してオブジェクトを 3D スキャンできます。これらの設計は、3D 印刷ファイル (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。このファイルは 3D プリンターに転送され、実行コマンドに従って必要なコンポーネントが印刷されます。部品を入手したら、機械加工して熱処理または化学処理を施し、最終製品を得る必要があります。

幅広い応用の可能性<br /> 3Dプリンターと木粉とバインダーを使用することで、木材の印刷が可能です。

この技術により、従来の方法に比べて木材をベースにした複雑な構造を簡単に製造できるようになり、現代の家具の複雑な形状やデザインを作成するのに役立ちます。リサイクル可能物や廃棄物相当物から得られる木粉が原料です。したがって、材料へのアクセスが容易なため、この技術を使用して複雑な部品を自宅で製造することができます。

△ 木材を3Dプリント材料として応用した模式図。画像はaliexpressより
利点と制限事項<br /> 低コストで豊富な資源を持つ木材は、3D プリントにとって大きな可能性を秘めています。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。

しかし、現在、3D プリントに木粉を使用すると、構造物の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、製品品質に関する問題は、後硬化技術の採用、適切な粒子サイズの組み合わせ、改質剤の使用、印刷パラメータの制御によって、ある程度解決できます。

同時に、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、技術的な難しさもあります。これは、この分野の技術が比較的新しいため、これらの問題を解決するには粉末の品質に関する多くの研究が必要であるためです。たとえば、木材の種類や粒子の形状は粉末の品質に影響を与える要因です。したがって、木材と粒子の形状の選択も非常に重要です。

△ 乾燥した木材シロアリの残骸を 3D プリントします。残骸の粒子は、3D プリントで使用される粉末よりも約 1 桁大きいです。ジャーナルからの画像
最新の研究
2021年2月、アンタークティックベアは、スウェーデン農業科学大学が、研究者が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できたという研究を発表したことを知りました。この粉末は特殊な材料(ヨーロッパシロアリと乾材シロアリを餌として生成された木粉)で、この粉末粒子の直径はそれぞれ10〜50μmと45〜100μmです。

△a) ヨーロッパシロアリ(Hylotrupes bajulus)の成熟した幼虫(上)と成虫(下)。b) 幼虫が排出し、3D プリントに使用したふるい残骸(粒子サイズ 45~100 μm)。ジャーナルからの画像

ヨーロッパシロアリ(EHB)の幼虫と乾材シロアリの糞(穴を掘る昆虫の活動によって生成される細かい粉状の廃棄物または脆く穴の開いた木材)が、3Dプリント木材材料用の天然および新規の原材料としてテストされました。乾材シロアリ Incisitermes marginipennis と EHB Hylotrupes bajulus が建築材を食べるときに作る小さなペレットを使用しました。糞は、本質的には木材と糞の破片を混ぜた生物学的に処理された木材である、特に一貫した品質の粉末状物質です。

次に研究者らは、市販の 3D プリンター (RX-1、Prometal RCT GmbH、ドイツ) と水性バインダー (PM-B-SR2-02) を使用して 3D プリントを行いました。熱硬化プロセス中に、それらの間に架橋が観察されました。さらに、2 種類の昆虫が提供する原材料の特性には一定の違いがあります。EHB の残骸は薄片状の構造で、積み重ね密度が低いのに対し、シロアリの残骸はほぼ均一なサイズの粒子で構成されており、積み重ねが良好です。充填密度の違いにもかかわらず、両方の原料をバインダー ジェット 3D プリントで使用できます。シロアリ粒子の短軸寸法は 580 μm、長軸寸法は 1050 μm で、これは 3D プリントで一般的に使用される粉末よりも約 1 桁大きいサイズです。家具などの木製アイテムを印刷する場合、粗粒度の粉末を使用すると、より厚い層の堆積と高い構築速度が可能になります。

文学コンテンツの詳細はこちらをご覧ください
Plarre, R., Zocca, A., Spitzer, A., Benemann, S., Gorbushina, A. A, Li, Y., ... & Günster, J. (2021).バイオベースの原料を探して:木材穿孔虫と乾材シロアリの残骸から木材チップを 3D プリントします。 PLoS One、16(2)、e0246511。 https://doi.org/10.1371/journal.pone.0246511 (転送するにはここをクリック)

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、また木材の種類によって木材粒子の品質にどのような影響があるかについての研究データは十分ではありません。ただし、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構造の違いによって影響を受ける可能性があります。したがって、さらなる研究が必要です。



木材、環境保護、3Dプリント、家具、創造性

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