Je kunt tegenwoordig bijna alles 3D-printen, van auto-onderdelen tot cakes. De meeste additieve productie maakt gebruik van plastic of metaal (of suiker), omdat het gemakkelijk is om deze materialen te smelten en te extruderen.
Maar er is terugslag geweest over de huidige status van 3D-printen, vanwege de aanzienlijke impact op het milieu. Het verbruikt aanzienlijke hoeveelheden energie in de productie - 50 procent meer dan spuitgieten - en creëert veel niet-biologisch afbreekbare materialen, die sommige ontwerpers en milieuactivisten overbodig vinden.
Afdrukken met puur natuurlijke materialen zou die tweede milieubelasting kunnen verlichten, maar dat leek lang onmogelijk. “Hout bestaat uit cellulose, hemicellulose en lignine. Geen van deze componenten smelt en ze branden bij verhitting ”, zegt Paul Gatenholm, hoogleraar chemie en biopolymeertechnologie aan de Chalmers University of Technology in Zweden.
Gatenholm en zijn team in het Wallenberg Wood Science Center in Chalmers hebben niettemin een manier bedacht om hout te 3D-printen, waardoor het mogelijk wordt om biologisch afbreekbare structuren te bouwen. Cellulose, de structuur die hout zijn kracht geeft, is solide, duurzaam en overvloedig, dus ze zagen veel potentieel voor afdrukken. Plastic en metaal, die worden gebruikt in de meeste additieve productie, smelten bij verhitting, wat zorgt voor een vloeibaar, vloeibaar materiaal dat bevorderlijk is voor afdrukken. De onderzoekers moesten de consistentie van de houtvezels veranderen om van cellulose een injecteerbare vloeistof te maken.
Ze mengden de cellulose nanofibrillen - in wezen dezelfde pulp die wordt gebruikt om papier van te maken - in een slurry die voor 98 procent uit water bestond. De uitdaging was om deze verhouding in te stellen om een mengsel te produceren dat flexibel was, maar dat ook solide structuren zou vormen, en dat niet temperatuurgevoelig was.
Gatenholm, met een achtergrond in weefseltechnologie, werkte aan soortgelijke technologie in de menselijke biologie, in de hoop fysieke implantaten te maken die met een persoon zouden meegroeien en zich aanpassen aan hun specifieke lichaamschemie. "We hebben het potentieel van dit nieuwe materiaal als bioink in 3D-bioprinting gerealiseerd", zegt hij. “Op een dag hebben we het monster gedroogd en zagen dat we fijne structuren zoals stoffen konden produceren. We begonnen het droogproces van deze gel te bestuderen en ontdekten dat we het konden beheersen en 3D-architectuur konden behouden. ”
Toen ze eenmaal de consistentie van de cellulose hadden voor afdrukken, begonnen de onderzoekers te experimenteren. Ze drukten grootschalige houten structuren, inclusief stoelen, en dunne flexibele materialen, zoals kleding. Gatenholm gelooft dat de technologie de additieve productie volledig kan veranderen, en hij staat niet alleen in zijn denken.
Andere onderzoekers, zoals Neri Oxman van het Mediated Matter-lab van MIT, hebben geprobeerd natuurlijke materialen in 3D te printen om afval te besparen. "In de natuurlijke wereld groeit alles. Als we technologie kunnen ontwikkelen die materialen laat groeien in plaats van ze af te trekken, dan kunnen we veel elementen in dat proces beheersen, " zei Oxman.
Naast het bouwen van structuren uit de cellulose, hebben Gatenholm en zijn team een manier gevonden om nanobuisjes van koolstof in de gel te stoppen en geleidend te maken. Dit geeft hen het potentieel om dingen te bouwen die zowel biologisch afbreekbaar zijn als ingebouwde elektrische stromen hebben, zoals verbanden die artsen kunnen wijzen op de gezondheid van wonden of kleding die lichaamswarmte in elektriciteit kunnen veranderen.
"3D-printtechnologie, die alleen metalen en kunststoffen kon gebruiken, werd plotseling groen en organisch", zegt Gatenholm.
