Onderzoekers van de Chalmers University of Technology, Zweden, zijn erin geslaagd om 3D te printen met een op hout gebaseerde inkt op een manier die de unieke "ultrastructuur" van hout nabootst. Hun onderzoek zou een revolutie teweeg kunnen brengen in de productie van groene producten. Door de natuurlijke cellulaire architectuur van hout na te bootsen, ze bieden nu de mogelijkheid om groene producten te maken die zijn afgeleid van bomen, met unieke eigenschappen - alles van kleding, verpakking, en meubels tot producten voor de gezondheidszorg en persoonlijke verzorging.

De manier waarop hout groeit wordt bepaald door zijn genetische code, waardoor het unieke eigenschappen heeft op het gebied van porositeit, taaiheid en torsiesterkte. Maar hout heeft beperkingen als het gaat om verwerking. In tegenstelling tot metalen en kunststoffen, het kan niet worden gesmolten en gemakkelijk worden omgevormd, en in plaats daarvan moet worden gezaagd, geschaafd of gebogen. Processen waarbij wel sprake is van conversie, om producten te maken zoals papier, kaart en textiel, de onderliggende ultrastructuur vernietigen, of architectuur van de houtcellen. Maar met de nieuwe technologie die nu wordt gepresenteerd, kan hout worden in werkelijkheid, uitgegroeid tot precies de gewenste vorm voor het eindproduct, door middel van 3D-printen.

Door eerder houtpulp om te zetten in een nanocellulosegel, onderzoekers van Chalmers waren er al in geslaagd een soort inkt te maken die in 3D kon worden geprint. Nutsvoorzieningen, ze presenteren een grote vooruitgang:het succesvol interpreteren en digitaliseren van de genetische code van hout, zodat het een 3D-printer kan instrueren.

Het betekent dat nu, de rangschikking van de cellulose-nanofibrillen kan tijdens het drukproces nauwkeurig worden gecontroleerd, om de gewenste ultrastructuur van hout daadwerkelijk na te bootsen. Door de oriëntatie en vorm te kunnen beheren, kunnen ze die nuttige eigenschappen van natuurlijk hout vastleggen.

"Dit is een doorbraak in productietechnologie. Het stelt ons in staat om buiten de grenzen van de natuur te gaan, nieuwe duurzame, groene producten. Het betekent dat de producten die vandaag al op bosbouw zijn gebaseerd, nu 3D-geprint kunnen worden, in een veel kortere tijd. En de metalen en kunststoffen die momenteel in 3D-printen worden gebruikt, kunnen worden vervangen door een hernieuwbare, duurzaam alternatief, " zegt professor Paul Gatenholm, die dit onderzoek heeft geleid binnen het Wallenberg Wood Science Center van de Chalmers University of Technology.

Een verdere vooruitgang op eerder onderzoek is de toevoeging van hemicellulose, een natuurlijk bestanddeel van plantencellen, aan de nanocellulosegel. De hemicellulose werkt als een lijm, de cellulose voldoende sterkte geven om bruikbaar te zijn, op dezelfde manier als het natuurlijke proces van verhouting, waardoor celwanden zijn opgebouwd.

De nieuwe technologie opent een heel nieuw gebied van mogelijkheden. Op hout gebaseerde producten konden nu op bestelling worden ontworpen en 'gekweekt' - in een enorm kortere tijdschaal in vergelijking met natuurlijk hout.

De groep van Paul Gatenholm heeft al een prototype ontwikkeld voor een innovatief verpakkingsconcept. Ze printten honingraatstructuren uit, met kamers tussen de bedrukte wanden, en slaagde erin om vaste deeltjes in die kamers in te kapselen. Cellulose heeft uitstekende zuurstofbarrière-eigenschappen, dit zou dus een kansrijke methode kunnen zijn om luchtdichte verpakkingen te maken voor bijvoorbeeld voedingsmiddelen of farmaceutica.

"Het op deze manier produceren van producten kan leiden tot enorme besparingen op het gebied van hulpbronnen en schadelijke uitstoot, "zegt hij. "Stel je voor, bijvoorbeeld, als we verpakkingen lokaal konden gaan bedrukken. Het zou een alternatief betekenen voor de huidige industrieën, met een grote afhankelijkheid van kunststoffen en C02-genererend transport. Verpakkingen kunnen op bestelling worden ontworpen en geproduceerd zonder verspilling."

Ook hebben ze prototypes ontwikkeld voor zorgproducten en kleding. Een ander gebied waar Paul Gatenholm een ​​enorm potentieel voor de technologie ziet, is de ruimte, in de overtuiging dat het de perfecte eerste testbank biedt om de technologie verder te ontwikkelen.

"Het uitgangsmateriaal van planten is fantastisch hernieuwbaar, zodat de grondstoffen tijdens langere ruimtereizen ter plaatse kunnen worden geproduceerd, of op de maan of op Mars. Als je voedsel verbouwt, er zal waarschijnlijk toegang zijn tot zowel cellulose als hemicellulose, ", zegt Paul Gatenholm.

De onderzoekers hebben hun technologie al met succes gedemonstreerd tijdens een workshop bij de European Space Agency, ESA, en werken ook samen met Florida Tech en NASA aan een ander project, inclusief testen van materialen in microzwaartekracht.

"Reizen in de ruimte is altijd een katalysator geweest voor materiële ontwikkeling op aarde, " hij zegt.

Het artikel, "Materialen van bomen verzameld door 3D-printen - houtweefsel buiten de natuurgrenzen, " is gepubliceerd in Toegepaste materialen vandaag . De paper is voor het eerst online gepubliceerd op 1 maart 2019, met de gedrukte editie die in juni 2019 verschijnt.