田納西州橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的研究人員花費了大量時間研究獨特的3D打印材料，如聚酯、木質素和納米纖維素，這是一種生物衍生的納米材料。現(xiàn)在，ORNL與緬因大學先進結構與復合材料中心之間的一項新研究合作旨在加大將木制品用作3D打印材料的力度。該團隊將與林業(yè)產(chǎn)品行業(yè)合作，共同開發(fā)新的生物基3D打印材料，可用于制造建筑構件、船只和船體模具、風力葉片和遮蔽物等產(chǎn)品。

圖1：UMaine先進結構和復合材料中心的學生和工作人員從一個3D模具上抬起船頂，該模具使用在緬因大學開發(fā)的新型生物材料納米纖維素增強PLA進行打印。

    本周在華盛頓特區(qū)宣布了這項大規(guī)模的舉措。來自大學和ORNL的領導，以及能源效率和可再生能源的DoE助理秘書Daniel Simmons，先進結構和復合材料中心Habib Dagher的創(chuàng)始執(zhí)行董事，以及美國參議員Susan Collins，Lamar Alexander和Angus King都出席了本次的宣布會，并表示UMaine和ORNL已經(jīng)從美國能源部先進制造辦公室獲得了2000萬美元的聯(lián)邦資金。
   “雖然橡樹嶺是增材制造領域的全球領導者，但緬因大學是生物基復合材料領域的專家。通過共同努力，他們將加強美國對環(huán)境負責的先進制造業(yè)，并幫助緬因州的森林工業(yè)。”參議員Collins 說。
    早在2016年緬因州幾家造紙廠關門后，參議員Collins和King就請求聯(lián)邦政府幫助挽救緬因州不斷下降的林產(chǎn)品行業(yè)。這導致經(jīng)濟發(fā)展評估小組（EDAT）的成立，以便跨機構開展工作，以便為緬因州的農(nóng)村社區(qū)制定經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略。該團隊促成了UMaine與ORNL之間的持續(xù)合作。
    “使用緬因州森林產(chǎn)品進行3D打印是在緬因州創(chuàng)造新工作的一個很好的方式，也是一個很好的提醒，國家實驗室是幫助美國在瞬息萬變的世界經(jīng)濟中保持競爭力的秘密武器。緬因大學和橡樹嶺國家實驗室之間的合作伙伴關系是科學和技術如何幫助美國人在新經(jīng)濟中繁榮的典范。”參議員Alexander說。

麻省大學先進結構與復合材料中心執(zhí)行主任哈比卜·達格（Habib Dagher）呈現(xiàn)了緬因州的3D打印圖像。這種材料是UMaine開發(fā)的一種木基產(chǎn)品。

    今年10月，ORNL的BAAM 3D打印機將在UMaine安裝，它實際上被認為是纖維素納米纖維（CNF）技術的全球領導者。UMaine學生還可以訪問ORNL的制造業(yè)演示設施（MDF），而實驗室的工作人員可以在UMaine的復合材料中心了解纖維素纖維和復合材料。打印機的首要任務之一是用木基塑料制造船模，但該團隊希望將該技術應用于許多大規(guī)模制造應用。
  “這種材料是納米纖維素，基本上是一種樹狀的納米結構。這些材料具有與金屬類似的特性。我們正在把它們放在生物塑料中，這樣我們就可以生產(chǎn)出非常堅固的塑料，我們幾乎可以制造任何東西。”Dagher解釋說。然后該團隊將納米纖維素添加到PLA中。
   “緬因大學正在開展與生物原料相關的前沿研究以及先進制造業(yè)在區(qū)域性工業(yè)中的應用?！監(jiān)RNL主任Thomas Zacharia表示，“我們很高興有機會擴大我們的研究基礎，同時為UMaine提供我們在ORNL制造示范工廠開發(fā)的領先國家能力?！痹摮h的總體目標是尋找木制產(chǎn)品的新用途，以重振緬因州的林產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)，同時通過將大學產(chǎn)業(yè)集群與MDF聯(lián)系起來，幫助提高區(qū)域制造業(yè)的實力。聯(lián)邦資金將在兩個設施之間平均分配。
   “我們將整合在UMaine的生物基復合材料和ORNL的3D打印領域20年的研究。這是學生、教職員工和制造業(yè)的一個機會引擎，他們將與國家最重要的研究實驗室的研究人員并肩工作。將木材分解為納米纖維素結構，將其與生物塑料結合，并以每小時數(shù)百磅的速度進行打印。我們將與ORNL進行的研究將使用可回收的、生物基的、具有成本效益的材料來促進下一代制造技術的發(fā)展，從而鞏固我們地區(qū)的經(jīng)濟?！盌agher說。
   來自UMaine和ORNL的科學家將在多個領域進行研究，如多尺度建模、CNF生產(chǎn)、干燥、功能化和熱塑性塑料復合，以及可持續(xù)性生命周期分析。CNF實際上可以與鋼材相媲美，并且可以成功地將其添加到塑料中，研究人員可以為強大的、可回收的、生物衍生的材料系統(tǒng)創(chuàng)建可再生原料，這種材料系統(tǒng)甚至可以以每小時數(shù)百磅的沉積速度進行3D打印。此外，使用50％木材的材料可以幫助森林產(chǎn)品行業(yè)開拓新市場。