NOVUM项目研究3D打印纤维材料代替塑料

NOVUM项目研究3D打印纤维材料代替塑料

2020-12-17 2

当今世界,塑料成为污染最大的污染源,许多国家也开始禁止销售一次性塑料制品和餐具,但这仍是市场上最大的消费量。纤维似乎是一个很有前途的生物。在芬兰国有VTT技术研究中心看来,这似乎是因为NOVUM项目专门研究3D打印纤维材料。HeliKangas,项目主管,为我们提供了FormnextConnect的更多信息。

3D打印机

BRINTER纤维3D打印机由3DTech公司开发,是NOVUM项目的一部分。这些照片是NOVUM项目提供的。

在地球上,纤维素构成了植物的三分之一,也是植物细胞壁的主要组成成分,也是最丰富的聚合物之一。工业纤维的主要来源是木材和棉花,而棉花是造纸原料。

随着芬兰木材工业的蓬勃发展,纤维素纤维成为NOVUM项目的首选材料。由于ABBRobotics具有高纯度、介电强度、机械强度、在工作温度下有较长的使用寿命和能被油浸透等特性,因此该材料也被用于油冷电力变压器的某些绝缘部件。

但传统的制造纤维素零件的方法需要大约8个能源和劳动密集型的步骤。一般先把纤维素片粘在一起,然后用金属模手工成型。这就是说,需要数百个模具才能生产出各种各样的零件。

与此相反,使用纤维素的3D打印完全不需要模具,而且生产步骤可以减少到仅有两三步:设计、3D打印和后处理。不像传统的模具技术,3D打印将是高度自动化的。NOVUM小组成员认为,最终可以将劳动力减少40%,废物产生减少60%,能源消耗减少40%。

该项目的目的是在2021年前开发用于纤维素结构3D打印的测试线。虽然研究小组考虑了各种3D打印材料的方法,包括喷射和薄片压力,但是材料挤压被认为是处理纤维素的最可行方法。

3D打印机

VTT及其合作伙伴,尤其是芬兰的3DTech公司,最终开发出了一种名为BRINTER的试验性台式3D打印机,它可以对纤维丝、颗粒和糊剂进行3D打印。纤维不含以石油为基础的添加剂。VTT的纤维素是100%生物基质,大约占纤维素重量的50%到60%,而其它生物材料可能会使用石油衍生增塑剂来改善聚合物的物理性质。

好吧,当你修饰它的时候,[纤维素]实际上是一种增塑剂。举例来说,我们用脂肪酸做过。所以它本身就是一种塑化剂。此外,我们还利用醋酸纤维素的特性或修饰细胞壁。接着我们又加入纤维素纤维或粉末,使纤维的质地和强度更好。”“但事实上,材料本身就是一种塑化剂。有些时候,我们需要用到外部增塑剂,但它们都是生物基质。

接下来的步骤是将该技术转化为试生产生产线,目前VTT合作伙伴Abis正在进行该项目。这个工业系统是用来处理生产过程的各个方面的,其中一个工业机器人接受来自打印机的3D打印零件,第二个机器人接受视觉检查,可能还有第三个机器人。

难题在于,在不损害产品的前提下,还要考虑到硬度和湿度。它可能需要在储藏区或炉子里“加料”。其他考虑因素包括产品跟踪,分配零件ID号,以及在生产过程中收集打印机的数据。

Kangas说:“(测试线路)的技术准备水平是6级,这意味着它已经在相关的环境中进行过测试或演示。"本例中,相关环境是3DTech的位置。它们是面向不同终端用户的服务提供者。

在被问到以纤维素取代以矿物燃料为基础的塑料的距离时,坎加斯说:

纤维就像水,所以水能粘住。你可以用它来制造纸张,但制造3D形状是非常困难的,因为-如果它只是普通的纤维和水,那么在你烘干它的时候,实际上会消耗很多能量。但当你使用3D打印技术时,它没有水,但它却不是纤维素的天然成分。所以,如果把纤维部件和塑料部件进行比较,它还没有力学性能。“我是说,我们走得更近了,但是还没到。”

3D打印机

如今,NOVUM合作伙伴开发了以低能耗、自动化的方式生产纤维素组件的方法,但仍需要供应商提供纤维素材料进行3D打印。

"这是价值链上缺失的环节。我方没有[合适的材料生产商]。有些化学公司必须对这种材料感兴趣。

在芬兰,纸浆产量的下降显然会得益于纤维素部件的生产,但是地球也会从塑料制品中获益。还不清楚是否是利用了纤维素。Cangas认为纤维素可用于替代某些一次性塑料,如食品包装,并指出需要涂层以防止水分渗入纤维素。

最终,她认为,甚至生物基聚合物也不能用来替代目前生产的所有塑料。她认为,我们应该改变使用和回收塑料的方式。也就是说,减少使用原料,改进整体回收体系,改变人们的态度,使他们尽可能地循环再用。以生物聚合物取代化石燃料塑料,将起到次要作用。

虽然这个项目最初的目标是为ABB生产3D打印绝缘子,但是这个团队仍然在研究这种特殊应用的技术。要让3D打印的纤维素组件能够在油液中达到3D高温下工作的目的,还有很多工作要做。虽然ABB最终仍将使用这项技术,但与此同时,VTT已经开始关注船舶和汽车业。对前者来说,想法是在游船上使用3D打印的纤维素制成的装饰元素。在后一种情况下,制造商正在考虑用纤维部件取代矿物燃料。

NOVUM项目的合作伙伴并不是唯一一家从事3D打印纤维材料的公司。对这项研究工作的简要列表包括纤维素气凝胶、可生物降解的创口贴片、回收的纤维素聚丙烯纤维、醋酸纤维素、活性墨水和大量物品。但一旦试验计划开始,3DTech等公司合作伙伴就能将其推向市场,并希望能使3D打印纤维成为日益主流的行业。


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