Stampa di oggetti complessi in cellulosa

Gli alberi e le altre piante sono all'avanguardia: Producono da soli la cellulosa e la usano per costruire strutture complesse con proprietà meccaniche eccezionali. La cellulosa è quindi interessante per gli scienziati dei materiali per la fabbricazione di prodotti sostenibili con funzioni speciali. Tuttavia, la trasformazione del materiale in strutture complesse ad alto contenuto di cellulosa è ancora una sfida per gli scienziati dei materiali.

Un gruppo di ricercatori dell'ETH di Zurigo e dell'Empa ha trovato il modo di lavorare la cellulosa con una stampante 3D per creare oggetti di qualsiasi complessità con un contenuto di cellulosa molto elevato.

Per ottenere questo risultato, i ricercatori hanno combinato la scrittura diretta dell'inchiostro, una tecnica di stampa 3D, con un successivo processo di densificazione. Ciò ha permesso ai ricercatori di materiali di aumentare il contenuto di cellulosa negli oggetti stampati fino al 27% in volume, come riportano nella rivista "pagina esternaMateriali funzionali avanzati" segnalato.

Inchiostro a base di acqua e nanocellulosa

I ricercatori dell'ETH e dell'Empa non sono certo i primi a lavorare la cellulosa con la stampante 3D. Tuttavia, gli approcci precedenti, che utilizzavano anche paste per la stampa contenenti cellulosa, non sono riusciti a produrre oggetti solidi con un così alto contenuto di cellulosa e un così alto grado di complessità.

La pasta da stampa utilizzata da Hausmann e dai suoi colleghi ha una composizione molto semplice. ? una dispersione di acqua e di particelle e fibre di cellulosa delle dimensioni di qualche centinaio di nanometri. Il contenuto di cellulosa è compreso tra il 6 e il 14% del volume dell'inchiostro.

Il bagno di solventi compatta la cellulosa

Il trucco dei ricercatori dell'ETH consiste nel porre l'oggetto in un bagno di solventi organici dopo la stampa. Poiché la cellulosa respinge i solventi organici, le particelle di cellulosa sono strettamente impacchettate tra loro. Ciò provoca un restringimento dell'oggetto, che porta a un forte aumento della quantità relativa di particelle di cellulosa nel materiale.

In un'ulteriore fase, gli scienziati hanno immerso l'oggetto in un'altra soluzione contenente un monomero plastico sensibile alla luce. Quando il solvente è evaporato, i monomeri hanno riempito gli spazi vuoti nell'impalcatura di cellulosa. Per trasformare i monomeri in plastica solida, i ricercatori hanno esposto l'oggetto alla luce UV. Il risultato è stato un materiale composito con un contenuto di cellulosa del 27% in volume.

"Il processo di compattazione ci ha permesso di iniziare con una miscela di acqua e cellulosa dal 6 al 14% e di ottenere un oggetto in materiale composito con il 27% in volume di nanocristalli di cellulosa", spiega Hausmann.

L'elasticità può essere regolata

A seconda del tipo di monomero plastico utilizzato, i ricercatori possono regolare le proprietà meccaniche, come l'elasticità o la resistenza degli oggetti stampati. Ciò consente di produrre parti dure o morbide a seconda delle esigenze.

Utilizzando questo approccio, i ricercatori sono riusciti a produrre diversi oggetti in materiale composito, alcuni dei quali delicati ma stabili, come una scultura di fiamma spessa appena un millimetro.

Tuttavia, la compressione di oggetti con uno spessore di parete superiore a cinque millimetri porta a distorsioni, poiché le loro superfici si contraggono più rapidamente del loro interno.

Orientamento delle fibre come il legno

I ricercatori hanno analizzato i loro oggetti con analisi a raggi X e test meccanici. Hanno così dimostrato che i nanocristalli di cellulosa si allineano in modo simile alle fibre di cellulosa dei materiali naturali in legno. "Questo significa che possiamo controllare la microstruttura dei nostri oggetti stampati per creare materiali con una microstruttura simile a quella di formazioni preliminari come il legno", sottolinea Rafael Libanori, assistente in capo al gruppo del professor André Studart dell'ETH.

I pezzi stampati sono ancora piccoli, su scala di laboratorio. Ma le applicazioni potenziali sono molte, dagli imballaggi personalizzati agli impianti di sostituzione della cartilagine per le orecchie. I ricercatori hanno persino prodotto un orecchio con la formazione preliminare di un orecchio umano. Tuttavia, sono necessarie ulteriori ricerche e prove cliniche prima che un impianto di questo tipo possa essere utilizzato in clinica.

Anche l'industria automobilistica potrebbe essere interessata alla tecnologia di stampa. Le case automobilistiche giapponesi hanno già costruito un prototipo di auto sportiva con una carrozzeria realizzata quasi interamente con materiali a base di cellulosa.