April 10, 2024

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數世紀以來，木材一直是建築、家具製造和其他結構的主要材料。然而，傳統的木材加工常常導致大量廢料產生，增加了成本並對環境造成影響。鑑於永續發展的需求，回收廢木材已成為不可或缺的趨勢。目前，廢木材主要用於能源生產、填充材料等傳統用途。但我們應該意識到，廢木材中蘊藏著未開發的潛力。木材的基本結構包括纖維素和木質素，是製造生物基材料的寶貴資源。然而，傳統的木材加工方法限制了廢木材的應用範圍。

近期，《科學進展》刊登了休士頓萊斯大學的最新研究成果：一款全新的3D列印「墨水」，這是第一個完全由木材自然成分製成的成品，具有真正的木頭質感。這項創新不僅可以充分利用各種產品製造的木材廢料，還能回收利用本來要被燃燒或丟棄的材料，非常符合目前企業推廣的ECO指標。

Science Advances – Three-dimensional printing of wood

過去，已經有許多混合了木質纖維素的3D列印技術，但萊斯大學的這種木質3D列印「墨水」更進一步。它的主要成分包括納米纖維素（cellulose nanofibers）、納米晶體纖維素（cellulose nanocrystals）和木質素（lignin），這些成分都可以從各行各業的木材廢料中提取得到。木質素是構成樹木大部分支持組織的有機聚合物，因此這項技術的開發不僅對環境友好，還具有巨大的潛力。

這種木質墨水採用直接墨水寫作（Direct Ink Writing, DIW）的3D列印技術，逐層打印出成品。與常用的熱熔融層積（Fused Deposition Modeling, FDM）技術相似，但為了實現類似天然木材的結構並避免內部裂痕，列印需要經過幾個步驟。首先，將成品在真空環境下冷凍48小時，以-80 ℃降溫，去除水分並保持尺寸和形狀。然後，在180 ℃的環境中加熱，讓木質素轉化為「分子膠水」，將纖維素和晶體粘合在一起。經過這一連串步驟，成品在外觀、結構、質地、熱穩定性甚至氣味上都與天然木頭非常相似。

萊斯大學材料科學和奈米工程助理研究教授 Muhammad Rahman 表示：“直接利用其自身的天然成分創建木結構的能力為更加環保和創新的未來奠定了基礎，它預示著可持續 3D 列印木結構建築的新時代。”

利用天然木材製作成品時，難免需要進行切割、銑削等步驟，從而產生大量木材廢料。然而，這款木質墨水的問世改變了這種局面。它能夠充分利用木材廢料，直接以3D列印的方式製造出木質結構，不僅代表著新一代的數位製造加工技術，更帶來了對天然材料的環保創新。這項技術的出現令人期待其未來的發展，並為環境保護和可持續發展做出了重要貢獻。

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參考資料：Rice researchers develop 3D-printed wood from its own natural components | Rice University

#3D列印 #木材 #製造 #創新技術