3D-напечатанные предметы из древесной нити могут самостоятельно обретать необходимую форму

Исследователи из Еврейского университета в Иерусалиме с 21 по 25 августа представили результаты новых древесных чернил для 3D-печати на мероприятии Американского химического общества (ACS) осенью 2022 года. Материал печатается плоско, а затем может самопреобразовываться в сложную трехмерную форму, и исследователи предполагают, что в будущем мебель или другие деревянные изделия будут изготавливаться таким образом.

Работа материала похожа на то, как в природе растения и некоторые животные могут изменять свои формы и текстуры. Даже после того, как дерево срублено, его древесина может изменить форму по мере высыхания. Он неравномерно усаживается и деформируется из-за различий в ориентации волокон в древесине.

Эран Шарон, доктор философии, один из главных исследователей проекта, рассказал о том, что искусственные структуры обычно не могут формироваться сами по себе, но в последние годы ученые начали печатать плоские листы, которые могут принимать трехмерные формы после воздействия стимула, такого как изменение температуры.

Большинство предыдущих самотрансформирующихся листов изготавливались из синтетических материалов, таких как гели и эластомеры. «Мы хотели вернуться к истокам этой концепции, к природе, и сделать это с помощью дерева», — сказала Шэрон.

Исследование началось несколько лет назад, когда команда разработала экологически чистые чернила на водной основе, состоящие из микрочастиц древесных отходов, известных как древесная мука, смешанных с нанокристаллами целлюлозы и ксилоглюканом. Это натуральные связующие вещества, извлеченные из растений.

Команда вскоре обнаружила, после использования чернил в 3D-принтере, что способ нанесения чернил определяет поведение морфинга, поскольку влага, содержащаяся в напечатанном изделии, испаряется.

Например, плоский диск, напечатанный в виде ряда концентрических кругов, высыхает и сжимается, образуя седловидную структуру, похожую на чипсы Pringles. Диск, напечатанный как серия лучей, исходящих из центральной точки, превращается в куполообразную или конусообразную структуру.

Конечную форму объекта можно контролировать, регулируя скорость печати, потому что усадка происходит перпендикулярно древесным волокнам в краске, а скорость печати меняет степень выравнивания волокон. Более низкая скорость печати оставляет частицы более беспорядочно ориентированными, поэтому усадка происходит во всех направлениях. Более быстрая печать выравнивает волокна относительно друг друга, делая усадку более направленной.

Команда обнаружила, что если сложить два прямоугольных слоя, напечатанных в разных ориентациях, после высыхания получится спираль. Команда надеется, что в будущем дальнейшая доработка позволит комбинировать седла, купола, спирали и другие мотивы дизайна для создания объектов сложной конечной формы, таких как стул.

В конечном счете, можно было бы создавать изделия из дерева, которые доставляются конечному пользователю в плоском виде, что снижает объем и стоимость доставки, а затем позволяет изделию трансформироваться в предполагаемую форму после распаковки.

Еще одна цель, которую Шэрон надеется достичь с помощью этой технологии, — сделать возможным лицензирование технологии для домашнего использования, что позволит клиентам проектировать и печатать свои собственные деревянные объекты с помощью 3D-принтера.