3D打印技术的新应用:利用废物木材打印仿真木制品

作者: 吴志奇

来源: 爱范儿

发布日期: 2021-06-04

3D打印技术的新应用:利用废物木材打印仿真木制品,通过一种获得专利的单程粘合剂喷射技术,将可持续生产应用到了木质零件上。Forust打印的原材料,全都是来自木材制造和造纸行业的废弃副产品。Forust从木材制造中收集纤维素粉尘,从造纸行业中收集木质素,这两种材料将通过高速的3D打印,直接制造出对应的木质成品。

当环保越来越被重视,森林危机也引起了更多人的关注,这群人,同样包括了3D打印行业的先驱者们。最近,3D打印公司Desktop Metal就制造出了一种新工艺,他们表示可以通过废物利用的方式3D打印出任何类型的“树木”,由此,不仅能回收更多垃圾废物,还能通过循环利用木材,减少人类对树木的无尽砍伐。此前,3D打印主要都是用各类塑料和金属材料来打印,现在,木头也可以成为打印材料了。

但是,3D打印的木桌、木椅、木碗,你敢用吗?这个3D打印木材的新工艺,被称为Forust。Forust同时也是Desktop Metal创立的子公司,它将专门运营这项新制造工艺的发展。而这项工艺,就是通过一种获得专利的单程粘合剂喷射技术,将可持续生产应用到了木质零件上。它的可持续性体现在,Forust打印的原材料,全都是来自木材制造和造纸行业的废弃副产品。

Forust从木材制造中收集纤维素粉尘,从造纸行业中收集木质素,这两种材料将通过高速的3D打印,直接制造出对应的木质成品。所以它不是完全还原一整棵树木,而是直接打印出模仿真实木材的产品。

打印过程中,这些经过特殊处理的锯末会散布开来,人们将通过CAD软件及操作设计,让无毒且可生物降解的树脂粘合剂将原材料连接在一起。这能让打印出的木材,具有和传统木材一样的硬度和功能。

特别的地方还在于,人们可以用数字方式,模仿任何类型的树木纹理。只要在后台设计好木材打印的每一层数据,就能印刷出随心所欲的纹理。它可以打印出紫檀木、水曲柳、斑马纹、乌木、桃花心木等各种木材纹理,还支持各种木材染色剂,染成对应树木的颜色。

Forust首席执行官Andrew Jeffery表示,Forust提供了几乎无限的设计灵活性。这也让它更接近真实的树木材质,并且还有了更多创造的自由。

打印完成后,人们就可以按照传统木制产品那样,对它进行打磨、钻孔、染色、涂漆、抛光等等。目前,人们可以使用该公司的Shop System机器或RAM 336来制作木制品,它们具有紧凑、高速、单程打印引擎等特点,很适合批量打印中小型木质零件,而配备机械臂的Forust 3D打印工具最大能够打印1800 x 900 x 300毫米的木制品。

Desktop Metals的首席执行官Ric Fulop认为,这项工艺将能被利用到各行各业。比如建筑领域,可以制造地板、屋顶;豪华内置部件领域,可以做汽车、游艇以及高端住宅具有异国情调的稀有纹理部件;家具领域,可以做成橱柜、桌椅、门;家居用品上,则可以做成花盆、雕塑、相框、碗筷等等。他们也展示了自己的一些设计样品,产品里包括了各类家庭用品,比如器皿、碗、篮子、托盘。

在Forust的商店页面,现在已经可以购买他们打印出来的现成产品,第一批产品是瑞士工业设计师Yves Béhar设计的,但价格并不便宜,一个托盘就要20美元(约合人民币127元)。

随着首批产品落地推出,Desktop Metal也为建筑师、设计师、制造商都提供了一条木制产品生产的新方式。它高效、实用、可自由设计,当然最创新也最重要的是——环保。3D打印木头真的环保吗?

3D打印木头的风潮还小荷才露尖尖角,无法通过具体的数据来判断它的结果。不过,我们可以回到3D打印木头本身来看看它的影响。关于3D打印木材,早在2013年,就有一家名为FormFutura的公司创造过类似产品,他们的产品名为LAYWOO-D3,材料是40%的再生木材,其余部分是粘合聚合物,但它更像是木丝的堆叠,缺乏真实纹理,密度也不够。

之后几年,也有麻省理工学院的科学家们开发了特殊的实验室培养的木质细胞,弗莱堡大学的研究人员开发了环境友好型的木质3D打印材料,但它们要不就是研究处于起步阶段,要不就是产品很难和真实木材媲美。

Forust的确是一个具有革新意义的改变。具体来说,它对环保的改变主要有以下三点:一是用木材废料再现原木的品质和纹理,让纤维素和木质素能成为持续资产。

二是自由地创建复杂或独特的木材设计,可以避免复杂木材设计的流线型生产。三是按需生产,制造商、设计师甚至消费者都可以提交自己的打印定制设计、订购样品和寻求大批量合作伙伴,并且大规模、长期地生产这些产品,从而最大程度地减少材料浪费、现货库存,以及运输污染。第一点想法抓住了森林砍伐的痛点,木材浪费是一个严重的问题。

The Balance网站报告曾指出,垃圾填埋场中的所有垃圾有10%是木材废料,2010年产生了7060万吨城市木材废料,这一数字在之后呈增长趋势。值得一提的是,Desktop Metal表示如果人们买了3D打印的木制产品用坏了,还可以再次回收,再打印出新的产品。

他们希望木制产品寿命结束后,用户将有两个选择,一是把它们像其他木制产品一样丢掉,它们将随着时间推移而被生物降解,另一种就是通过Forust将材料重新用于未来的产品。我们的愿景是创造一个真正的循环制造过程。而且,这种工艺可以让可持续制造和具有成本效益的木质产品,代替当下很多类型的塑料和聚合物,这样也能减少各个领域的塑料制品生产和使用。

不过,回收木材废料的成本还需要深究,纹理制造过程的精细程度、木材废料多次利用后的品质,依然需要大量产品检验后才能确定。而在第二、三点提到的生产过程上,Forust也有地方值得质疑。比如,收集到废弃木料后,将它们转化为木粉的过程,通常也需要消耗化石燃料等能源,如果用的是木材废料本身,废料中可能也会燃烧到胶水、油漆、有毒涂料等物质,然后将二氧化碳和毒素排入环境之中。

另外,ZDNnet还指出,从废弃纸浆中提取木质素,也要使用诸如二氧化硫、硫化钠和氢氧化钠之类的有害化学物质,或者花费较高成本研磨后,通过二恶烷/水提取,然后在溶剂中纯化。所以,将废物木料变成可回收材料的过程中,也存在着诸多破坏环境的部分。这也是可持续发展一直以来存在的一个挑战——创建一个可持续的解决方案,通常也需要另一个不可持续的过程来推动它。

数据显示到2027年,全球成品木制品市场预计将达到1.8万亿美元,而在这样的需求之下,Desktop Metal是第一个将3D打印的技术大规模商业化的公司。他们正将始于树木的减法行业,转变为始于升级回收木材废料的增材行业。不过未来是否真的能实现Desktop Metal的愿景,或者他们所说的愿景只是一种商业鼓吹,还得持续观望。3D打印,还能给生活带来什么改变?

打印玩具、打印鞋底、打印桥梁、打印房子、打印火箭......3D打印似乎无所不能。这个出现在20世纪90年代中期的技术,最开始只是通过电脑控制,快速把液体粉末等“打印材料”一层层叠加,然后把电脑上的蓝图,变成一个实物装置。

1986年,美国科学家Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机;1993年,麻省理工学院获3D印刷技术专利;2005年,市场上首个高清晰彩色3D打印机Spectrum Z510面世。当时的人们,对3D打印抱有着无限的期待和幻想。3D打印的确也没让人失望,虽然速度发展并不快,但每次打印的成果也足以令人耳目一新。

比如2010年11月,美国Jim Kor团队打印出了世界上第一辆3D打印汽车Urbee,2011年6月6日,全球第一款3D打印的比基尼出现,2011年7月,世界上第一台3D巧克力打印机来了。从建筑、家居、美食、医疗到武器,3D打印在很多领域都开始运用起来。3D打印也曾被视为引领第三次工业革命的技术,但3D打印的风口来得快去得也快。

2016年左右,很多3D打印初创公司都纷纷倒闭,AI和区块链的风口又迎头赶来。风口过后的研究人员并未受其影响,依然在持续研究3D打印的新可能——2019年4月15日,以色列特拉维夫大学研究人员以病人自身的组织为原材料,3D打印出了全球首颗拥有细胞、血管、心室和心房的“完整”心脏。

当时这颗“心脏”可以收缩,但无法像正常心脏一样搏动泵血,去年明尼苏达大学的研究人员又通过一种新型生物墨水加上3D打印技术,创建了具有腔室、心室、血管结构的,可以泵血的心脏。生物3D打印,让我们看到了3D打印依然存在的无限潜力,虽然真正的器官移植,还至少需要十几年的时间,才能确认能否应用于人体,但技术的发展是瞬息万变的。

3D打印很多技术尚在研究中,4D打印已经兴起了。

4D打印其实也相当于3D打印技术的升级,它就是将“可编程物质”和“3D技术”结合在一起,让3D打印的物体具有一定的机械运动能力,能在外界刺激下发生形状或结构的改变。这些“打印界”的新技术,让我们看到了希望的苗头,不过依然感觉它们离当下有点遥远。而3D打印风口过后的企业,就在不断尝试让3D打印的尖端技术变得更加落地。

3D打印公司Icon和当地的非营利组织New Story共同开发的一幢3D打印房屋,今年就已经有了他的新主人——一个70岁高龄的流浪老人Tim Shea。这栋用混凝土3D打印房屋的造价只有1万美金,它的低成本、便捷性、舒适性,还将为全球更多流浪人口带来慰藉。不过除房屋建造、生物组织等特定领域,大部分普及的3D打印材料,依然是金属或塑料等可粘合材料。

最新的木制材料,让我们又看到了3D打印进入日常的可能。接下来,3D打印还将从单一的打印材料,走向多种材料的并行打印,它将让3D打印机赋予产品更多元的功能、更智能的体验、更复杂的系统。这也将让3D打印的产品更加贴近每个人的生活。

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