Des chercheurs de la State University of New York College of Environmental Science and Forestry, de l'Université du Tennessee, du Oak Ridge National Laboratory et de l'University of Tennessee Institute of Agriculture se sont réunis pour rechercher des matériaux pour l'impression 3D, en particulier sur les composites fabriqués à partir de biomasse. .
Les composites sont de plus en plus utilisés lorsque les utilisateurs explorent des matériaux magnétiques, des additifs PLA, des mélanges de polymères recyclés, du graphène, etc. Des matériaux plus naturels comme le bois, et en particulier la lignine, ont également été à l'origine d'études expérimentales dans le but de renforcer certains matériaux pour des applications données.
Dans cette étude, les auteurs se concentrent sur la biomasse lignocellulosique et ses dérivés, examinant et analysant une variété d'additifs pour l'impression 3D. Leurs résultats ont été publiés dans le récent
L'étude des matériaux n'est souvent qu'un moyen pour aboutir à la fabrication de pièces performantes; cependant, il existe également un besoin de polymères plus biocompatibles et plus respectueux de l'environnement. Parce que la biomasse lignocellulosique est naturelle
Cellulose Hémicellulose Lignine Protéines Autres extractifs
«Le développement de matériaux dérivés de la biomasse utilisant la technologie d’impression 3D comme alternative aux plastiques à base de pétrole fossile fournira une opportunité pour atteindre une bioéconomie durable et renouvelable», ont expliqué les auteurs.
Nombre de brevets pour la cellulose et la biomasse dérivée en impression 3D.
Les matériaux renouvelables ont été une source d'étude substantielle, notamment en termes de cellulose.
(a) Schéma de la structure hiérarchique de l'arbre illustrant le rôle de la cellulose. Réimprimé avec la permission de la réf. 44. Copyright 2011 Chemical Society Reviews. (b) Image SEM du CNF, échelle 6
Il y a eu 5 100 brevets pour l'impression 3D avec de la cellulose depuis 2015:
«Cette tendance implique que l’application de la biomasse et de ses composants à l’impression 3D est devenue un sujet brûlant et que la cellulose pour l’impression 3D a été largement utilisée», ont déclaré les auteurs.
a) Mécanisme FDM / FFF. b)
Les méthodes courantes d'impression 3D avec des composites incluent la modélisation par dépôt fondu (FDM), l'écriture à l'encre directe (DIW), la stéréolithographie (SLA), le traitement de la lumière directe (DLP) et le jet de liant.
Mécanisme SLA / DLP. Redessiné sur la base de la réf. 86. Copyright 2019 ACS Omega.
L'impression 3D DIW est considérée par les auteurs comme un bon candidat pour une utilisation avec la cellulose, en raison de ses propriétés fluidiques
Diverses études sur l'impression 3D de la cellulose et des dérivés de la cellulose. (a) L'alignement des nanofibres de cellulose (CNF) et des nanocristaux (CNC) contrôlés par le flux dans une impression DIW (à gauche), conduisant à un solide crochet d'aérogel (à droite). Réimprimé avec la permission de la réf. 30. Copyright 2019 Matériaux fonctionnels avancés. (b) Impression DCW de composites cellulosiques avec d'autres biomasses. Réimprimé avec la permission de la réf. 36. Copyright 2019 Advanced Materials Technologies. (c) Structure imitant les cellules en bois combinant une structure d'impression FDM avec une résine durcie aux UV et une CNC. Réimprimé avec la permission de la réf. 67. Matériaux Copyright 2018
Dans l'impression SLA 3D, les chercheurs utilisent également plus souvent des mélanges résine / cellulose
Etudes sur l'impression 3D de la lignine. (a) Procédé d'impression FDM d'un composite contenant de la lignine qui possède les teneurs en lignine les plus élevées (60% en poids) et la feuille de chêne imprimée. Réimprimé avec la permission de la réf. 93 Copyright 2018 Science Advances. (b) Impression SLA d'une résine contenant de la lignine qui a montré une amélioration de la résistance à la traction. Réimprimé avec la permission de la réf. 86. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsomega.9b02455, Copyright 2019 ACS Omega. Les autorisations supplémentaires liées au matériel extrait doivent être adressées à l'ACS. (c) La lignine modifiée dans l'impression SLA peut être imprimée avec la concentration la plus élevée de 15% en poids. Réimprimé avec la permission de la réf. 41. Copyright 2018 ACS Applied Materials
“La lignine, le deuxième biopolymère terrestre le plus abondant après la cellulose, a été sous-utilisée et, à ce jour, est principalement utilisée pour la combustion directe”, ont déclaré les auteurs. «Par conséquent, la valorisation de la lignine a attiré une grande attention dans le processus actuel de bioraffinerie. Étant donné que la lignine contribue à l’hydrophobicité, aux activités antimicrobiennes et antioxydantes de la paroi cellulaire végétale, elle peut être un agent de renforcement dans les composites d’impression 3D. »
Impression 3D de composites de lignine
La lignine offre une gamme d'utilisations potentielles, mais surtout dans les produits ignifuges, anti-âge et l'absorption des rayons UV. Des recherches antérieures ont également prouvé son utilité pour améliorer les performances de traction avec une meilleure adhérence des couches, l'amélioration des systèmes d'administration de médicaments avec des matériaux PLA / lignine / tétracycline imprimés en 3D, ainsi que la diminution du gauchissement et du rétrécissement. Le jet de liant a également été utilisé dans l'expérimentation de systèmes d'administration de médicaments à base d'amidon.
Contrairement à la production et aux utilisations de la cellulose et de la lignine, la biomasse entière est plus simple à gérer
Impression 3D de composites bois
Alors que les chercheurs continuent de créer de nouveaux composites de bois, l'impression 3D FDM est utilisée pour augmenter la résistance à la traction, ainsi que d'autres propriétés; cependant, l'expérimentation des paramètres d'impression a également été critique dans l'impression de matériaux comme le PLA avec un additif de bois de pin recyclé.
«… La compréhension de la structure des composants de la biomasse reste importante, de même que l’utilisation des structures supramoléculaires, comme la cristallinité, l’anisotropie des matériaux et les interactions interfaciales doivent être bien étudiées pour aider à atteindre la propriété cible du dérivé de la biomasse imprimé en 3D », ont conclu les auteurs. «Pour le traitement, divers paramètres tels que la résolution d’impression et le taux de production des pièces sont les domaines qui doivent subir une ingénierie supplémentaire pour rendre l’impression 3D compétitive par rapport aux technologies de fabrication de matériaux conventionnelles.
«À l’avenir, l’utilisation de compatibilisants et la modification de la chimie interfaciale pourraient améliorer la liaison et la distribution des charges dérivées de la biomasse avec les plastiques, ce qui pourrait améliorer considérablement la concentration des charges avec une résistance modérée pour atténuer l’épuisement, au moins partiellement, du pétrole à base de matériaux. De plus, des techniques de caractérisation adaptées à l’application commerciale finale peuvent être utiles pour mieux évaluer les forces et les faiblesses des documents imprimés. Une caractérisation in-situ appliquée à l’impression 3D métal est également une approche possible dans ce domaine pour favoriser la qualité d’impression. »
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