Härmar ultrastrukturen hos ved för 3D-printade gröna produkter

Forskare vid Chalmers tekniska högskola har gjort framsteg inom 3D-printing genom att ta fram ett träbaserat bläck som härmar den unika ultrastrukturen i trä. Deras forskning skulle kunna innebära ett genombrott för tillverkning av gröna produkter. Genom att efterlikna den naturliga cellulära arkitekturen i trä, presenterar de nu möjligheten att skapa gröna produkter, sprungna ur trä, med unika egenskaper. Det handlar om allt från kläder, emballage och möbler till hälso- och sjukvårdsprodukter.

Hur trä växer styrs av en genetisk kod, vilken ger unika egenskaper i form av porositet och vridstyvhet. Samtidigt är trä ett väldigt begränsat material när det kommer till bearbetning. Till skillnad från metaller och plaster går trä inte att smälta och forma, utan måste sågas, hyvlas och svarvas. Processer som omvandlar trä till papper, kartong och textiler förstör den underliggande ultrastrukturen, träcellens arkitektur. Men den nya teknologin fungerar som om ett träd växte precis på det sätt som vi vill att slutprodukten ska se ut, fast istället sker tillväxten i en 3D-printer.

Chalmersforskare har sedan tidigare lyckats ta fram ett bläck, baserad på nanocellulosa från trämassa, som kan användas i 3D-printing. Nu presenterar de ytterligare ett framsteg – de har lyckats tolka träts genetiska kod och digitaliserat det så att det kan instruera en 3D-printer.

Detta innebär att det nu går att kontrollera uppbyggandet av nanofibriler i detalj vid 3D-printning, för att fullt ut efterlikna den önskade ultrastruktur som trä har. Möjligheten att kunna hantera placering och form innebär att träts unika egenskaper nu går att återskapa artificiellt.

– Detta är ett genombrott inom tillverkningsteknologin. Det tar oss bortom vad naturen tidigare tillåtit, för att skapa nya, hållbara gröna produkter. Det innebär att de produkter som idag produceras av skogsmaterial nu, på mycket kortare tid, istället kan bli 3D-printade. Metall och plast som idag används inom 3D-printing kan ersättas med ett förnybart, hållbart alternativ, säger professor Paul Gatenholm, som leder forskningen på Chalmers, genom Wallenberg Wood Science Centre.

Ytterligare en fördel är att hemicellulosa, som är en naturlig del av växtens cell, tillförts i nanocellulosagelen. Hemicellulosan fungerar som ett klister som ger cellulosan tillräcklig styrka, på ett liknande sätt som växtens naturliga celluppbyggnadsprocess sker.

Teknologin öppnar helt nya fält av möjligheter. Idag är behandling av trä tidskrävande och innebär bland annat sågning och hyvling för att veden ska utformas till produkter. Denna teknologi innebär att nya träliknande produkter kan designas och ”odlas” nedifrån och upp, på mycket kortare tid än vad som är möjligt med naturligt trä.

Paul Gatenholms grupp har redan utvecklat en prototyp för ett innovativt förpackningskoncept. Forskarna printade strukturer som ser ut som bikakor, med sina karaktäristiska håligheter. De lyckades sedan kapsla in partiklar inuti håligheterna. Cellulosa har utmärkta syrebarriäregenskaper, vilket innebär att metoden är lovande för att skapa lufttäta emballage för exempelvis livsmedel och medicin.

– Att tillverka produkter på det här sättet skulle kunna leda till enorma besparingar när det gäller resurser och skadliga utsläpp, säger han. Tänk dig, till exempel, om vi skulle kunna börja printa förpackningar lokalt. Det skulle innebära ett alternativ till dagens industrier, som är högst beroende av plast och CO2-genererande transporter. Paketeringen skulle kunna designas och tillverkas för den specifika varan utan att restprodukter.

Även prototyper för hälsovårdsprodukter och kläder har utvecklats och ytterligare ett område där Paul ser stor potential för teknologin är i rymden. Han menar att rymden erbjuder den perfekta testbädden för att vidareutveckla teknologin.

– Växter ger otroligt återvinningsbara material. Detta innebär att råmaterial kan produceras på plats under längre rymdresor, på månen eller på Mars. Om du odlar mat i rymden, kommer du förmodligen även ha tillgång till både cellulosa och hemicellulosa, säger Paul Gatenholm.

Forskarna har framgångsrikt presenterat teknologin för den europeiska rymdorganisationen ESA och samarbetar även med universitetet Florida Tech och NASA i andra projekt, bland annat materialtest i mikrogravitation.

– Rymdresor har alltid inneburit en katalysator för materialutveckling på jorden, säger han.

Läs artikeln “Materials from trees assembled by 3D printing – Wood tissue beyond nature limits”, publicerad I Applied Materials Today. Artikeln blev först publicerad online första mars 2019, och i tidningsformat i juni 2019.

För mer information, kontakta:

Paul Gatenholm, Professor, Kemi och kemiteknik, Biopolymerteknologi

paul.gatenholm@chalmers.se +46 31 772 34 07

Taggar: