Ihr nächster Holzstuhl könnte flach ankommen und dann in eine 3D-Form trocknen

Holzgegenstände werden in der Regel durch Sägen, Schnitzen, Biegen oder Pressen hergestellt. Das ist so oldschool! Heute werden Wissenschaftler beschreiben, wie flache Holzformen, die von einem 3D-Drucker extrudiert werden, so programmiert werden können, dass sie sich selbst in komplexe 3D-Formen verwandeln. In Zukunft könnte diese Technik zur Herstellung von Möbeln oder anderen Holzprodukten verwendet werden, die flach an einen Bestimmungsort versandt und dann getrocknet werden könnten, um die gewünschte endgültige Form zu erhalten.

Die Forscher stellen ihre Ergebnisse auf dem Herbsttreffen der American Chemical Society (ACS) vor.

In der Natur können Pflanzen und einige Tiere ihre eigenen Formen oder Texturen verändern. Selbst nachdem ein Baum gefällt wurde, kann sein Holz beim Trocknen seine Form verändern. Es schrumpft ungleichmäßig und verzieht sich aufgrund von Variationen in der Faserorientierung innerhalb des Holzes. „Warping kann ein Hindernis sein“, sagt Doron Kam, ein Doktorand, der die Arbeit bei dem Treffen vorstellt, „aber wir dachten, wir könnten versuchen, dieses Phänomen zu verstehen und es für eine wünschenswerte Verwandlung nutzbar zu machen.“

Im Gegensatz zu einigen natürlichen Objekten können sich künstliche Strukturen normalerweise nicht selbst formen, sagt Eran Sharon, Ph.D., einer der Hauptforscher des Projekts. Aber Wissenschaftler haben in den letzten Jahren damit begonnen, flache Blätter zu drucken, die sich nach einem Stimulus wie einer Änderung der Temperatur, des pH-Werts oder des Feuchtigkeitsgehalts zu 3D-Formen formen könnten, sagt Sharon. Diese sich selbst verändernden Blätter wurden jedoch aus synthetischen Materialien wie Gelen und Elastomeren hergestellt, stellt er fest.

„Wir wollten zurück zum Ursprung dieses Konzepts, zur Natur, und zwar mit Holz“, sagt Sharon. Er und Kam – sowie Shlomo Magdassi, Ph.D., und Oded Shoseyov, Ph.D., die anderen Hauptforscher, die sich dieser Herausforderung mit Ido Levin, Ph.D., der zu dieser Zeit ein Doktorand war, stellten – befinden sich an der Hebräischen Universität Jerusalem.

Vor einigen Jahren entwickelte das Team eine umweltfreundliche Tinte auf Wasserbasis, die aus Mikropartikeln aus Holzabfällen, bekannt als „Holzmehl“, gemischt mit Zellulose-Nanokristallen und Xyloglucan, natürlichen Bindemitteln aus Pflanzen, besteht. Die Forscher begannen dann, die Tinte in einem 3D-Drucker zu verwenden. Sie entdeckten kürzlich, dass die Art und Weise, wie die Tinte aufgetragen wird, oder der „Pfad“, das Morphing-Verhalten bestimmt, wenn der Feuchtigkeitsgehalt aus dem Druckstück verdunstet. Beispielsweise trocknet eine flache Scheibe, die als eine Reihe konzentrischer Kreise gedruckt ist, und schrumpft, um eine sattelartige Struktur zu bilden, die an einen Pringles-Kartoffelchip erinnert, und eine Scheibe, die als eine Reihe von Strahlen gedruckt ist, die von einem zentralen Punkt ausgehen, verwandelt sich in eine Kuppel oder einen Kegel -artige Struktur.

Die endgültige Form des Objekts kann auch durch Anpassen der Druckgeschwindigkeit gesteuert werden, fand das Team heraus. Das liegt daran, dass die Schrumpfung senkrecht zu den Holzfasern in der Tinte auftritt und die Druckgeschwindigkeit den Grad der Ausrichtung dieser Fasern ändert. Eine langsamere Rate lässt die Partikel zufälliger orientiert, sodass eine Schrumpfung in alle Richtungen auftritt. Ein schnellerer Druck richtet die Fasern aneinander aus, sodass die Schrumpfung gerichteter ist.

Die Wissenschaftler lernten, wie man die Druckgeschwindigkeit und den Weg programmiert, um eine Vielzahl von Endformen zu erreichen. Sie fanden heraus, dass das Stapeln von zwei rechteckigen Schichten, die in unterschiedlichen Ausrichtungen gedruckt wurden, nach dem Trocknen eine Helix ergibt. In ihrer neuesten Arbeit fanden sie heraus, dass sie den Druckweg, die Geschwindigkeit und das Stapeln programmieren können, um die spezifische Richtung der Formänderung zu steuern, z. B. ob sich Rechtecke zu einer Spirale drehen, die sich im oder gegen den Uhrzeigersinn windet.

Eine weitere Verfeinerung wird es dem Team ermöglichen, die Sättel, Kuppeln, Spiralen und andere Designmotive zu kombinieren, um Objekte mit komplizierten Endformen herzustellen, wie z. B. einen Stuhl. Letztendlich könnte es möglich sein, Holzprodukte herzustellen, die flach an den Endverbraucher geliefert werden, was das Versandvolumen und die Kosten reduzieren könnte, sagt Kam. „Dann könnte sich das Objekt am Zielort in die gewünschte Struktur verziehen.“ Schließlich könnte es möglich sein, die Technologie für den Heimgebrauch zu lizenzieren, damit Verbraucher ihre eigenen Holzobjekte mit einem normalen 3D-Drucker entwerfen und drucken können, sagt Sharon.

Das Team untersucht auch, ob der Morphing-Prozess reversibel gemacht werden könnte. „Wir hoffen zu zeigen, dass wir diese Elemente unter bestimmten Bedingungen reagieren lassen können – zum Beispiel auf Feuchtigkeit – wenn wir die Form eines Objekts wieder ändern wollen“, sagt Sharon.