3D 'hout' printen

Hout is een veelgebruikt duurzaam (bouw)materiaal met belangrijke ecologische voordelen: Het is hernieuwbaar en fungeert als CO2-opslag. Een nadeel van hout is echter dat het alleen met verspanende technieken (draaien, frezen, zagen) verwerkt kan worden, hetgeen veel houtafval veroorzaakt. Daarbij wordt het afval en hout dat ongeschikt is als constructiemateriaal slechts ingezet in laagwaardige toepassingen of verbrand.

Afgezien van het gebruik van houtvezels als filler materiaal bij 3D-printen van kunststoffen, wordt 3D-printen van hout(afval) nog niet toegepast, hoewel dit wel mogelijk is: Alle plantaardige materialen bevatten natuurlijke polymeren, lignine en cellulose, welke voor mechanische eigenschappen zorgen. Door deze polymeren uit plantaardige materialen te scheiden kunnen deze, met behulp van enkele additieven, in een thermoplastisch verwerkbaar materiaal worden omgezet dat extrudeerbaar is. Door de locatie van de extruder te manipuleren en hier laagsgewijs een object mee te maken ontstaat een additive manufacturing (AM) proces: een 3D ‘hout’printer!

Naast materiaalefficiëntie biedt AM unieke voordelen, namelijk grote vormvrijheid en de mogelijkheid van seriematige enkelstuksproductie. Indien gecombineerd met de ontwerptechnieken parametrisch en topologische ontwerpen zijn vergaande optimalisaties van materiaalgebruik en productvariaties mogelijk. Met AM ontstaat zodoende een enorm nieuw spectrum van hoogwaardige toepassingsmogelijkheden voor hout(afval).

In dit projectvoorstel wordt via de driehoek van ‘materiaal – proces – toepassing’ simultaan onderzoek gedaan naar:
(1) Geschikte combinaties (blends) van cellulose en lignine om mee te kunnen extruderen;
(2) Het ontwikkelen van een 3D-printproces en setup voor het verwerken van deze materiaal-combinaties;
(3) Het identificeren van geschikte toepassingen.
Geschikte toepassingen worden beïnvloed door materiaaleigenschappen en het printproces. Beide aspecten hebben ook onderlinge wisselwerking. Daarom wordt binnen casestudies van mogelijke toepassingen de onderlinge invloed integraal onderzocht.

De doelstelling is daarbij om een werkende 3D ‘hout’printer met een werkend receptuur te ontwikkelen en de haalbaarheid van innovatieve, duurzame en voor de markt relevante toepassingen aan te tonen middels cases.

In het project is onderzoek gedaan naar de mogelijkheid van het gebruiken van de afvalstoffen lignine en cellulose voor 3D printen. Hieruit is gebleken dat het niet mogelijk was om met alleen deze materialen een goed werkende 3D print te verkrijgen. Daarom is het eveneens bio-gebaseerde kunststof PLA (uit maïszetmeel) ingezet als matrix en binder. De PLA bleek ook essentieel om het materiaal voldoende in de vloei te krijgen om gecontroleerd te kunnen extruderen.
In andere experimenten is overigens wel gebleken dat een combinatie van lignine en cellulose of houtvezel zich wel tot een plaat laat persen onder zeer hoge druk en temperatuur, vooral de druk die hierbij toegepast kan worden lijkt essentieel te zijn. Het is in de opstelling waarmee in het project gewerkt is niet mogelijk gebleken de vereiste druk te behalen. Bovendien wordt in 3D printen het materiaal na extrusie vrijwel direct aan de atmosfeer blootgesteld, hierdoor is het onmogelijk druk uit te blijven oefenen op het materiaal na printen.
Gezien 3Dprinten een continue proces is in tegenstelling tot het persen van een plaat is het erg moeilijk de procescontrole voor een dergelijk complex materiaal te beheersen. Er bestaat ook het vermoeden dat er in de extruder lucht mee werd genomen in het proces waardoor degradatie tijdens het printen werd versneld. Het is mogelijk gebleken om te printen en een goed resultaat te behalen, maar wel onder voorwaarde dat er in de totale compound ±50% PLA aanwezig was en dat er met een relatief lage printsnelheid werd gewerkt.
In het project is met veel verschillende partners samengewerkt om vragen op te halen. Met deze vragen heeft het projectteam samen met het betreffende bedrijf een concept uitgewerkt voor 3D ‘hout’ printen. Deze zijn eerst op schaal geproduceerd om te verifiëren of het ontwerp aansluit bij de vraag van de partner. Vervolgens zijn deze ontwerpen op de grote robotarm printer geproduceerd op vol formaat