ThinKing 用于3D打印的轻量化材料-从木材到生物墨水

2021-1-19 08:47 208 0 来自: 互联网
简介
  【汽车轻量化在线】纯粹的可持续发展:德国弗莱堡大学和弗莱堡材料研究中心的研究人员现在已经成功地根据绿色工程的原则开发出了一种以木材为基础的生物浆料,几乎没有比这种生物浆料的具有更好的可持续发展性的 ...
  【汽车轻量化在线】纯粹的可持续发展:德国弗莱堡大学和弗莱堡材料研究中心的研究人员现在已经成功地根据绿色工程的原则开发出了一种以木材为基础的生物浆料,几乎没有比这种生物浆料的具有更好的可持续发展性的材料了。即使是轻量化的Woodmimetics3D材料,也可以在3D打印中进行高效加工--而且在生产中也具有经济竞争力。
  
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德国巴登符腾堡州轻量化局确认此项技术获得2020年11月ThinKing创新奖。通过每个月推出的ThinKing创新奖,巴符州轻量化局为德国巴登符腾堡州轻量化领域的创新产品或服务提供一个推介平台。
  
  纯粹的可持续性:可生物降解、可再生的生物材料。
  
  - 高的轻量化潜力:轻量化材料具有良好的力学性能,可用于增材制造。
  
  - 气候友好型:碳中和材料。
  
  - 高效节能:常温下的增材制造。
  
  - 具有成本效益:在工业规模上可获得的原材料。
  
  "我们称这种新材料为生物墨水,因为我们可以用它来打印。然而,我们不是在纸上打印,而是进行立体打印。"弗莱堡大学的博士生Lisa-Sophie Ebers解释说。"新材料是一种聚合物浆料,可以用直接墨水书写的方式加工成轻量级部件。"Ebers继续说道。
  
  “木基材料Woodmimetics 3D”是Ebers博士论文的主题,这种材料在轻量化方面有很大的潜力,材料的发展遵循了仿生学的方法。
  
  从摇篮到摇篮的材料

"我们期望Woodmimetics3D能够产生有益的生态足迹,因为所使用的原材料是可再生的,而且材料在其生命周期结束时也是可以生物降解的。"德国弗莱堡大学森林生物材料系主任Marie-Pierre Laborie教授对材料所具有的可持续发展潜力深信不疑。
  
  这种生物材料只含有木质原料:木质素和羟丙基纤维素--一种在制药、化妆品和食品工业中已知的添加剂(E463)--以及作为溶剂的水、乙醇和乙酸。
  
  因此,该材料不仅是生物基的,而且是100%可降解的。弗莱堡大学的科研团队借助真菌对生物降解性进行了研究,结果显示与PLA(聚乳酸)的降解性相当。因此,这些轻量化部件在使用寿命结束时也可以回到材料循环中。
  
  与少数以木质素为基础的商用产品相比,Woodmimetics3D的木质素含量高达50%。由于这种原料是造纸过程中的废品,目前的状况是对98%的这种原料进行了焚烧处理,因此,弗莱堡大学的这项研究开辟了生物浆全新的回收利用方式。Woodmimetics3D可以在生态经济中发挥关键作用,特别是在德国巴登符腾堡州。这是因为德国巴登符腾堡州拥有丰富的森林资源,而且靠近可以采用木材作为原料的区域,是木材和造纸业最重要的地区之一。
  
  可进行具有成本效益和能源效率的加工
材料的另一个经济优势是加工材料所需的能源很少,因为Woodmimetics3D具有特别好的流变特性,可以直接进行油墨书写。
  
  "通过3D打印,仅仅通过过程工艺中的剪切应力载荷就能降低材料的粘度。这就是为什么我们可以在室温下加工材料的原因,"Ebers说。
  
  对于以木质原料为材料的工程构件来说,木丝之间的粘连也起着重要的作用,这对构件的机械性能至关重要。在Woodmimetics3D中,这个参数可以通过溶剂和固体的比例来调整。
  
  订单式轻量化潜力
鉴于以上特点,在轻量化中,Woodmimetics3D在半结构应用和结构应用中具有很大的潜力。其最大的优点是比密度低,为0.7kg/m3。因此,该材料比许多金属或石油基聚合物更轻。此外,生物浆料还可以用于在3D打印中生产晶格结构,从而进一步减轻部件的重量。
  
  因此,由于3D打印提供的设计和形状灵活性,该材料在许多轻量化应用中提供了可持续的订单式选择方案。可设想的应用包括轻量化结构中的连接部件或用于消费品、汽车和航空航天工业的成型部件。由于材料所具有的力学特性,作为防护设备的应用,如个性化的头盔,也是可以想象的。
  
  此外,为了减少产品的碳足迹,由Woodmimetics3D制成的部件可以取代汽车和飞机内饰中某些以石油为基础的成型部件。
  
  用户所需的Woodmimetics3D结构可以按照计划的形式和功能进行数字化开发,而不需要生产设备的投资成本。研究团队现在正在寻找可能的工业合作伙伴,以共同推进技术发展。
  
  注:本项目工作由弗赖堡可持续发展中心资助,在“巴登符腾堡州科学,研究和艺术部”资助的“将木质素原料用于生物基塑料”项目框架下进行。
  
  德国弗莱堡大学森林生物材料教席简介
森林生物材料教席是在2013年结构改革中从原始森林利用与林业工作科学研究所中分离建立的。该教席是环境与自然资源学院的一部分,隶属于地球与环境科学研究所。Marie-Pierre Laborie教授是弗莱堡材料研究中心FMF的成员。该教授岗位主要从事天然材料的研究和新型生物材料的开发。教授的研究具有高度的跨学科性质,从最多样化的木材研究科学领域到生物大分子的合成、高分子物理、纳米技术和材料技术等。

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