新的木质3D打印材料可用于制造自我组装的平板家具

2022年8月26日，南极熊获悉，来自耶路撒冷希伯来大学的研究人员已经开发出一种新型的木质3D打印材料，可以变形为预先设计的形状。

这种生态友好型原料由木粉和植物提取物的混合物制成，由于其木材成分中的纤维方向导致其在干燥时发生扭曲，因此能够产生变形。虽然该团队几年前就开发出了这种材料，但他们最近发现，通过控制材料的铺设方式，他们可以对其水分含量的蒸发进行计算，从而使其能够形成复杂的物体。

到目前为止，科学家们已经将他们的木质墨水3D打印成马鞍形、圆顶形和螺旋形的模型，但随着进一步的发展，这种墨水材料还可以被用来创造更复杂的自组装物体，例如家用家具。

木材的独特变形潜力

众所周知，在自然界中某些种类的植物和动物可以改变形状、外观或甚至纹理。当涉及到木材时，这种能力来自于其纤维的方向，这导致它不均匀地收缩和翘曲，正如在被砍伐的树木中看到的那样。然而，在3D打印中，翘曲可能被视为一个需要处理的问题，但该团队现在正以不同的方式来处理它。

最近在美国化学学会（ACS）的一次会议上公布了耶路撒冷希伯来大学材料突破的研究生Doron Kam解释说："翘曲可能是一个障碍，但我们认为我们可以尝试理解这种现象，并将其利用为一种理想的变形。"

虽然人工结构一般不具备自行改变形状的能力，但科学家们已经越来越多地研究了在热、pH值或水分刺激下触发时可以变形的材料的潜力。这个位于以色列的研究团队声称，该领域的研究通常仅限于从凝胶和弹性体中3D打印出平板，而这些材料在本质上是合成的。

△研究人员的一个螺旋形原型。照片来自耶路撒冷希伯来大学的Doron Kam

未来3D打印的对手是宜家？

为了利用木材的自然变形能力，研究人员现在已将其整合到一种由水以及纤维素纳米晶体和木聚糖组成的材料中，木聚糖是从植物中提取的天然粘合剂。该团队已经发现，这种原料的行为可以通过调整用于沉积它的喷头的速度和打印路径来精确控制。

具体来说，研究发现任何收缩都是垂直于油墨中的木质纤维，而调整其沉积速度可以改变这些纤维的排列方式。因此，加速打印过程使木质墨水材料以可预测的方式翘起，而缓慢沉积则使其木质成分变得随机定向，并向各个方向收缩。

在测试过程中，已经证明有可能将两个矩形层的原料堆叠成具有不同方向的螺旋线，同时调整其翘曲度以控制其螺旋的方向。此外，该团队还预计他们的材料可以用于3D打印家具项目，例如以扁平包装的方式打印椅子，然后在开业时变成客户订购的产品。

在短期内，以色列的科学、技术和太空项目部门将专注于开发使材料变形过程可逆的潜力。在这项工作中，研究人员将开发一种能够让他们的材料对环境因素（如湿度）做出反应的方法，最终可以用来使其恢复到原来的形态。

△Forust公司3D打印的木制品。照片来自Forust公司

推进木材的3D打印的可行性

虽然以色列团队的变形发现无疑是创新的，但他们的成果距离真正投入使用仍有一定的距离。在类似的案例中，2021年3月，麻省理工学院开发了一种实验室种植的可3D打印木质材料，据预测有望被部署到环保家具的制造中。

同样，几个月前在弗莱堡大学推出了一种生态友好型木材3D打印材料，已经显示出在建筑或轻工业应用中使用的潜力。该团队的生物合成聚合物由木质素与纤维素球混合组成，据说可与直接墨水写入（DIW）和熔融沉积成型（FDM）3D打印机兼容。