Cellulosa från trä fungerar i 3D-skrivare

En forskargrupp vid Chalmers är först i världen med att lyckas skriva ut och torka tredimensionella objekt helt av cellulosa med hjälp av en 3D-bioskrivare. De kan också tillsätta kolnanorör så att materialet leder ström. Detta innebär att cellulosa och andra träråvaror nu kan vara med och konkurrera med plaster och metaller i den pågående revolutionen inom additiv tillverkning, som påbörjades med 3D-skrivarens intåg.
Den lilla stolen av cellulosa är ett demonstrationsföremål som har skrivits ut i 3D-bioskrivaren på Chalmers.
Tillverkning med 3D-skrivare är en form av additiv tillverkning, som spås revolutionera hela tillverkningsindustrin. Teknikens precision gör det möjligt att bygga saker som tidigare var omöjliga att tillverka, och den innebär flera fördelar jämfört med äldre produktionstekniker. Designfriheten är stor, ledtiden är kort och inget material går till spillo.

Plast och metall är de dominerande materialen inom additiv tillverkning. Men nu har en forskargrupp vid Chalmers för första gången lyckats använda cellulosa från trä i en 3D-skrivare.

- Det finns stora miljöfördelar med att få in cellulosa i den här snabba teknikutvecklingen, säger Paul Gatenholm, professor i biopolymerteknologi på Chalmers och ledare för forskargruppen. Cellulosa är en förnyelsebar råvara som inte kommer att ta slut. Det är helt bionedbrytbart, och generellt innebär tillverkning med råvaror från trä att man binder koldioxid som annars skulle hamna i atmosfären.

Genombrottet har gjorts inom ramen för Wallenberg Wood Science Center, ett forskningscentrum med syftet att ta fram nya material från trä.

Svårigheten med cellulosa inom additiv tillverkning är att det inte smälter när det värms upp. Därför kan man inte använda samma 3D-skrivare och samma process som med exempelvis plaster. Chalmersforskarna har löst detta genom att blanda ner nanofibriller av cellulosa i en gel som består av 95 – 99 procent vatten. Gelen fungerar i forskarnas 3D-bioprinter, som de tidigare har använt för att tillverka byggnadsställningar för celler där slutprodukten är personligt designade implantat.

Nästa utmaning var att torka de utskrivna geleartade föremålen utan att förlora den tredimensionella formen.

- Torkningen är kritisk, säger Paul Gatenholm. Vi har utvecklat en metod för att frysa gelen och sedan avlägsna vattnet på olika sätt så att vi kan styra hur det torra objektet kommer att se ut. Dessutom har vi visat att man kan låta materialet krympa i en förbestämd riktning och därmed tillverka tunna filmer.

Forskarna har också blandat cellulosagelen med kolnanorör för att skapa ett elektriskt ledande bläck efter torkning. Kolnanorör leder ström, och i ett annat projekt inom Wallenberg Wood Science Center arbetar man med att ta fram kolnanorör från ved.
Genom att använda den ledande och den ickeledande gelen tillsammans och kontrollera torkningen har forskarna tillverkat tre-dimensionella kretsar, där upplösningen ökat markant efter torkningen.
De två gelerna ger förutsättningar för tillverkning av en mängd olika sorters föremål av cellulosa med inbyggda elektriska kretsar.

Paul Gatenholm tillsammans med kollegorna Karl Håkansson och Ida Henriksson. Christina de la Pena saknas på bilden.- Några möjliga exempel är förpackningar med sensorer, kläder som omvandlar kroppsvärme till elektricitet, och sårförband som kommunicerar med vårdpersonalen, säger Paul Gatenholm. Själva går vi nu vidare med nästa utmaning. Att använda alla biopolymerer i trä, utöver cellulosa.
Forskningsresultaten presenteras den här veckan på konferensen New Materials From Trees som pågår i Stockholm 15-17 juni.

För mer information, kontakta:
Paul Gatenholm, professor i polymerteknologi på Chalmers, 031-772 34 07, 070-753 57 50, paul.gatenholm@chalmers.se


Läs mer om Wallenberg Wood Science Center: www.wwsc.se


Foto: Peter Widing


Publicerad: to 25 jun 2015.