NOVUM项目开发纤维素3D打印试验线

正如我们在3D打印与气候变化之间的关系系列文章中所讨论的那样，期望对全球变暖做出任何规定的化石燃料公司已经热衷于为塑料生产投入更多资源的想法。但是，即使是塑料也受到较小程度的管制，特别是在一次性消费品方面。到2021年，欧盟将禁止一次性塑料餐具，棉签，吸管和搅拌器。英国，台湾，加拿大，肯尼亚等国家/地区禁止使用的其他物品包括微珠，塑料袋和其他一次性塑料制品。

这些形式的立法虽然不完全具有侵略性，但显示出各国政府愿意采取必要措施来应对由工业人类文明加剧的持续生态崩溃的意愿。如果这些社会希望保留其目前的生活方式，则将需要开发基于化石燃料的聚合物的替代品。

在我们关于该主题的系列中讨论的生物聚合物中，纤维素似乎是一种有前途的生物。 芬兰的国有 VTT技术研究中心似乎是这样认为的，因为其NOVUM项目完全致力于3D打印纤维素材料。项目负责人Heli Kangas在Formnext Connect上向我们介绍了更多信息。

3D Tech开发的BRINTER纤维素3D打印机是NOVUM项目的一部分。图片由NOVUM项目提供。

纤维素构成地球上约三分之一的植物，是植物细胞壁的主要成分，是地球上最丰富的聚合物之一。商业纤维素的主要来源是木材和棉花，前者导致造纸产品的生产。

由于芬兰木材业的蓬勃发展，纤维素成为NOVUM项目的主要候选者。这种材料也恰好是ABB Robotics在油冷式电力变压器中用于其某些绝缘组件的材料，因为它具有高纯度，介电强度，机械强度，在工作温度下具有较长的使用寿命以及能够被油浸透的能力。

但是，制造纤维素零件的传统方法需要大约八个能源和劳动密集型步骤。这通常开始于将纤维素片粘合在一起，然后使用金属模具手动成型。这意味着需要成百上千的模具来制造各种各样的此类零件。

相比之下，使用纤维素进行3D打印则完全不需要模具，并且可以将生产步骤减少到只有两个或三个：设计，3D打印和后处理。与传统的基于模具的技术不同，3D打印将高度自动化。最终，NOVUM团队成员认为，有可能将劳动力减少40％，废物产生减少60％，能耗减少40％。

为了在2021年之前开发用于纤维素结构3D打印的试验线，该项目开始了。尽管该小组考虑了多种3D打印材料的方法，包括材料喷射和薄片层压，但材料挤出被认为是处理纤维素最可行的方法。

VTT及其合作伙伴，特别是本例中的芬兰3D Tech公司，最终开发了一种实验室规模的台式3D打印机，称为BRINTER，能够对纤维素细丝，颗粒和糊剂进行3D打印。纤维素不包含石油基添加剂。与可能使用石油衍生的增塑剂来改善聚合物的物理特性的其他生物材料不同，VTT的纤维素是100％生物基的，约占纤维素重量的50％至60％。

“嗯，当您对其进行改性时，[纤维素]实际上就是一种增塑剂。例如，我们已经用脂肪酸做到了。因此，它本身就是增塑剂。我们也正在使用这种醋酸纤维素特性或修饰的细胞壁。然后，我们也在那里添加一些纤维素纤维或粉末，以使纤维具有质地和强度。” “但是，实际上，材料本身就是增塑剂。在某些情况下，我们需要使用外部增塑剂，但它们都是生物基的。”

下一步是将这项技术转化为试生产线，VTT合作伙伴Abis目前正在进行这项工作。该工业系统旨在处理制造过程的所有方面，其中一个工业机器人从打印机接收3D打印的零件，第二个机器人进行视觉检查，可能还有第三个机器人进行表面处理。

挑战包括在不损坏产品的情况下处理产品的能力，同时要牢记硬度和湿度。这可能需要在存储区域或熔炉中进行“调味”。考虑的其他功能包括产品跟踪，为零件分配ID号以及在生产过程中从打印机收集数据。

“（试验线）技术准备水平为六级，这意味着它已在相关环境中进行了试验或演示，” Kangas说。“在这种情况下，相关的环境是3D Tech的位置。他们是面向不同最终用户的服务提供商。”

当被问及要用纤维素代替矿物燃料基塑料有多接近时，Kangas说：

纤维素喜欢水，所以水会紧紧抓住。您可以用它制作纸，但是制作3D形状很困难，因为-如果它只是通常的纤维和水，那么，当您干燥它时，要从中挤压水实际上要消耗大量能量。但是，当您使用3D打印技术时，就没有水了，但那也不是纤维素的天然成分。因此，如果将纤维素零件与塑料进行比较，则尚不具备机械性能。我的意思是，我们越来越近了，但我们还没有到那儿。”

现在，NOVUM合作伙伴已经开发出以能耗较低的自动化方式生产纤维素部件的方法，仍然需要供应商提供用于3D打印的纤维素材料。

“这就是价值链中缺失的环节。我们没有[合适的材料生产商]生产商。一些化工公司将需要对这种材料产生兴趣。”

芬兰造纸业的下滑显然将受益于纤维素零件的生产，但地球将从石油衍生的塑料转向而受益。目前尚不清楚是否通过使用纤维素。坎加斯认为，纤维素可以用来代替某些一次性塑料，例如食品包装，并指出需要涂层以防止水分渗透到纤维素中。

最后，她相信，即使是生物基聚合物也不能用来代替目前生产中的所有塑料。相反，她认为需要改变我们使用和回收塑料的方式。这意味着使用更少的原始材料，改善整体回收系统，改变人们的态度，以便他们尽可能地重复利用和回收。然后，用生物聚合物代替化石燃料塑料将扮演次要的角色。

尽管该项目的最初目标是为ABB生产3D打印绝缘子，但该小组仍在研究该特定应用的技术。为了使3D打印的纤维素部件达到在油中高温下运行3D年的任务，还需要进行更多的开发。ABB可能最终仍会使用该技术，但是与此同时，VTT已经对船舶和汽车行业产生了兴趣。对于前者，其想法是将3D打印的纤维素制成的装饰元素用于游轮。对于后者，制造商正在考虑用纤维素零件代替矿物燃料基塑料。

并非只有NOVUM项目合作伙伴致力于3D打印纤维素材料。针对该目标的研究工作的简要清单包括 纤维素气凝胶， 可生物降解的伤口贴片， 由回收的纤维素聚丙烯制成的长丝， 醋酸纤维素， 响应性油墨和 大型物品。但是，一旦该试验计划启动，像3D Tech这样的公司合作伙伴将能够将其推向市场，并希望使纤维素3D打印成为日益主流的活动。