3D printen heeft de toekomst. Daarmee zullen we voorwerpen heel anders gaan maken – misschien veel minder in fabrieken en veel meer in de winkel om de hoek. Maar tot nu toe leenden veel biobased materialen zich niet voor 3D printen. Veel 3D printers verhitten het te printen materiaal, en groene grondstoffen ontleden dan. Maar cellulose nanofibrillen bieden een oplossing voor dit probleem: de printpasta is nat en droogt op tot een vaste vorm.
Cellulose nanofibrillen (nanocellulose) vormen de kleinste vezels waarin wij cellulose kunnen ontleden. Zij worden gemaakt uit hout of uit de restproducten van de landbouw of de voedselindustrie; ze kunnen worden gebruikt voor 3D printpasta’s omdat de juiste mix van cellulose nanofibrillen en water erg viskeus is, en veel water kan bevatten, tot 50%. Bij droging geven deze pasta’s structuren die mechanisch zeer sterk en biologisch afbreekbaar zijn. De eigenschappen van de structuur (tolerantie voor vocht, stijfheid en flexibiliteit) kan men veranderen door het beïnvloeden van de crosslinks tussen de fibrillen. Wij kunnen voorwerpen nu flexibel, stijf en poreus maken, of alles er tussen in. Maar het is moeilijk om een flexibele structuur te maken vanuit groene materialen, omdat de voorwerpen harder en stijver worden bij droging. ‘Het droogproces is het moeilijkste,’ zegt professor Paul Gatenholm van Chalmers Universiteit in Gotenburg. ‘We hebben een proces ontwikkeld waarbij we de voorwerpen bevriezen en dan op een aantal manieren water verwijderen, zodat we de vorm van het droge voorwerp kunnen bepalen. We kunnen ook de structuur laten instorten in één richting, waarbij dunne films ontstaan.’
3D printen met cellulose nanofibrillen voor medische doeleinden
Een ander groot instituut dat 3D printen met cellulose nanofibrillen onderzoekt is VTT, het Finse technische onderzoeksinstituut. Zij ontwikkelen 3D printtechnologie om textiel, schaalmodellen, kunstvoorwerpen en wondgaas te maken. Eerst zullen er decoratieve voorwerpen voor in huis op de markt komen. Met nanocellulose kunnen we nieuwe effecten bereiken aan het oppervlak van decoratieve voorwerpen. Maar voor een aantal toepassingen moet nog worden onderzocht wat de invloed zal zijn van licht en vocht. VTT ontwikkelt ook 3D printen met cellulose nanofibrillen voor medische toepassingen. Het instituut ontwikkelt momenteel een wondgaas waarin een eiwit, gekoppeld aan een 3D geprint verband, de groei van huidcellen rond een wond kan bevorderen. Het doel is dat de beter wordende wond flexibel blijft en geen harde wondkorst aanmaakt. Dit onderzoek doet VTT samen met de Universiteit van Tampere, het wordt gefinancierd door de Academie van Finland. Dit proces kan ook worden gebruikt in de cosmetische industrie of bij het maken van kunstbot. ‘Door het gebruik van nanocellulose hebben we 3D prints kunnen maken die vocht driemaal zo goed opnemen als het gebruikelijke wondgaas,’ zegt VTT senior onderzoeker Panu Lahtinen.
Verder kunnen wij met 3D printen van cellulose nanofibrillen ook elektrisch geleidende structuren maken. Aan Chalmers Universiteit gebruiken ze hiervoor koolstofnanobuisjes. Met een gecontroleerd droogproces van twee gels, de ene geleidend en de andere niet, hebben de onderzoekers driedimensionale circuits gebouwd; hiermee kan men vele soorten producten ontwerpen met ingebouwde elektrische stroompjes op basis van cellulose. ‘Wij kunnen dit toepassen in sensoren die geïntegreerd zijn met verpakkingsmateriaal, in textiel dat stroom opwekt uit lichaamswarmte, en in wondgaas dat kan communiceren met artsen,’ zegt Paul Gatenholm. Bij VTT zijn ze precies met die laatste toepassing bezig. Zij combineren in één product een geprinte structuur van nanocellulose, een eiwit gebruikt in wondverzorging, en geprinte elektronica die het genezingsproces meet. Het product zendt draadloos de temperatuur of de bio-impedantie naar een computer. Cellulose nanofibrillen zijn nog niet goedgekeurd voor medische doeleinden, zodat het nog wel een paar jaar kan duren voordat ziekenhuizen deze techniek mogen gebruiken.
3D printen zal fabricagetechnieken sterk veranderen
3D printen is een nieuwe vorm van fabriceren die de maakindustrie sterk zal kunnen veranderen. Het is een doelmatige methode voor het maken van ingewikkelde, gepersonaliseerde en lichte voorwerpen. Voorwerpen kunnen op deze manier heel precies gemaakt worden; dit geeft vele voordelen en er ontstaan nieuwe mogelijkheden. De ontwerpvrijheid is groot, de ontwikkeltijd kort, en er wordt geen materiaal verspild. ‘In de combinatie van cellulose met de zich snel ontwikkelende techniek van 3D printen liggen grote milieuvoordelen,’ zegt Paul Gatenholm. ‘Cellulose is onbeperkt beschikbaar en geheel biologisch afbreekbaar.’ [link 3]. Cellulose nanofibrillen kunnen zelfs gemengd worden met polypropeen, waardoor de verwerkbaarheid van PP voor 3D printen beter wordt, evenals de mechanische eigenschappen van geprinte voorwerpen van PP [link 4]. 3D printen met cellulose nanofibrillen geeft veel nieuwe mogelijkheden voor de ontwikkeling van duurzame biobased voorwerpen en materialen.
Interessant? Lees dan ook:
Houtvezels sterker dan staal
Houtbioraffinage heeft een enorm potentieel
Een ontdekking die kan leiden tot duurzame elektronica
Vezels van de toekomst: cellulosevezels uit hout