创建新的生物基3D打印材料

田纳西州橡树岭国家实验室（ORNL）的研究人员花费了大量时间研究独特的3D打印材料，如聚酯、木质素和纳米纤维素，这是一种生物衍生的纳米材料。现在，ORNL与缅因大学先进结构与复合材料中心之间的一项新研究合作旨在加大将木制品用作3D打印材料的力度。该团队将与林业产品行业合作，共同开发新的生物基3D打印材料，可用于制造建筑构件、船只和船体模具、风力叶片和遮蔽物等产品。

图1：UMaine先进结构和复合材料中心的学生和工作人员从一个3D模具上抬起船顶，该模具使用在缅因大学开发的新型生物材料纳米纤维素增强PLA进行打印。     

本周在华盛顿特区宣布了这项大规模的举措。来自大学和ORNL的领导，以及能源效率和可再生能源的DoE助理秘书Daniel Simmons，先进结构和复合材料中心Habib Dagher的创始执行董事，以及美国参议员Susan Collins，Lamar Alexander和Angus King都出席了本次的宣布会，并表示UMaine和ORNL已经从美国能源部先进制造办公室获得了2000万美元的联邦资金。

“虽然橡树岭是增材制造领域的全球领导者，但缅因大学是生物基复合材料领域的专家。通过共同努力，他们将加强美国对环境负责的先进制造业，并帮助缅因州的森林工业。”参议员Collins 说。

早在2016年缅因州几家造纸厂关门后，参议员Collins和King就请求联邦政府帮助挽救缅因州不断下降的林产品行业。这导致经济发展评估小组（EDAT）的成立，以便跨机构开展工作，以便为缅因州的农村社区制定经济发展战略。该团队促成了UMaine与ORNL之间的持续合作。

“使用缅因州森林产品进行3D打印是在缅因州创造新工作的一个很好的方式，也是一个很好的提醒，国家实验室是帮助美国在瞬息万变的世界经济中保持竞争力的秘密武器。缅因大学和橡树岭国家实验室之间的合作伙伴关系是科学和技术如何帮助美国人在新经济中繁荣的典范。”参议员Alexander说。

 
麻省大学先进结构与复合材料中心执行主任哈比卜·达格（Habib Dagher）呈现了缅因州的3D打印图像。这种材料是UMaine开发的一种木基产品。     

今年10月，ORNL的BAAM 3D打印机将在UMaine安装，它实际上被认为是纤维素纳米纤维（CNF）技术的全球领导者。UMaine学生还可以访问ORNL的制造业演示设施（MDF），而实验室的工作人员可以在UMaine的复合材料中心了解纤维素纤维和复合材料。打印机的首要任务之一是用木基塑料制造船模，但该团队希望将该技术应用于许多大规模制造应用。

“这种材料是纳米纤维素，基本上是一种树状的纳米结构。这些材料具有与金属类似的特性。我们正在把它们放在生物塑料中，这样我们就可以生产出非常坚固的塑料，我们几乎可以制造任何东西。”Dagher解释说。然后该团队将纳米纤维素添加到PLA中。

“缅因大学正在开展与生物原料相关的前沿研究以及先进制造业在区域性工业中的应用。”ORNL主任Thomas Zacharia表示，“我们很高兴有机会扩大我们的研究基础，同时为UMaine提供我们在ORNL制造示范工厂开发的领先国家能力。”该倡议的总体目标是寻找木制产品的新用途，以重振缅因州的林产品产业，同时通过将大学产业集群与MDF联系起来，帮助提高区域制造业的实力。联邦资金将在两个设施之间平均分配。

“我们将整合在UMaine的生物基复合材料和ORNL的3D打印领域20年的研究。这是学生、教职员工和制造业的一个机会引擎，他们将与国家最重要的研究实验室的研究人员并肩工作。将木材分解为纳米纤维素结构，将其与生物塑料结合，并以每小时数百磅的速度进行打印。我们将与ORNL进行的研究将使用可回收的、生物基的、具有成本效益的材料来促进下一代制造技术的发展，从而巩固我们地区的经济。”Dagher说。

来自UMaine和ORNL的科学家将在多个领域进行研究，如多尺度建模、CNF生产、干燥、功能化和热塑性塑料复合，以及可持续性生命周期分析。CNF实际上可以与钢材相媲美，并且可以成功地将其添加到塑料中，研究人员可以为强大的、可回收的、生物衍生的材料系统创建可再生原料，这种材料系统甚至可以以每小时数百磅的沉积速度进行3D打印。此外，使用50％木材的材料可以帮助森林产品行业开拓新市场。