La tinta de madera para impresoras 3D puede convertir restos viejos en piezas nuevas
Una tinta de impresión 3D desarrollada a partir de residuos de madera recombina sus componentes naturales en productos de madera
Eugenio Mymrin/Getty Images
La madera es uno de los materiales más antiguos y versátiles de la humanidad. materiales de construcción—Pero convertir los troncos de los árboles en madera contrachapada y de dos por cuatro genera enormes cantidades de desechos. Cada año, sólo Estados Unidos produce alrededor de 18 millones de toneladas de madera de desecho, y más de 12 millones de toneladas terminan en vertederos. Pero los investigadores ahora han encontrado una manera de convertir parte de estos residuos en “tinta” para madera que eventualmente podría usarse para impresión 3D elementos como muebles o elementos arquitectónicos. El material resultante, descrito en un estudio publicado el 15 de marzo en Avances científicosse ve, se siente y huele a madera natural y es físicamente similar al trabajo con ella.
La impresión 3D basada en madera en sí no es nueva. Sin embargo, las tintas existentes normalmente se elaboran mezclando aserrín con un aglutinante. Esto produce un compuesto similar a la madera que carece de muchas de las propiedades físicas y estéticas que le dan su atractivo. En el nuevo proceso, “tratamos de imitar la madera natural”, dice el investigador de ciencia de materiales de la Universidad Rice. Mohamed Rahmanuno de los autores del estudio.
La madera natural se compone principalmente de polímeros orgánicos llamados celulosa y lignina, junto con cantidades menores de pectina, cera y otros compuestos. Para convertir restos de madera en tinta para la impresión 3D, los investigadores comenzaron combinando solo lignina y celulosa, manteniendo la misma proporción de estos materiales que la que se encuentra en la madera natural. Para esta parte del proceso, dice Rahman, se puede utilizar cualquier tipo de madera o desechos de madera. De hecho, “ni siquiera hace falta que sea madera”, añade. “Puede [use] cualquier planta que tenga lignina y celulosa [and] deconstrúyelo y luego mézclalo”.
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El principal desafío fue crear una tinta con exactamente el “flujo” correcto, una propiedad que los científicos llaman reología. El método de impresión 3D que utilizaron, llamado escritura directa con tinta (DIW), implica exprimir tintas líquidas a través de una boquilla de microescala para “dibujar” la estructura deseada poco a poco. Las impresoras DIW, que son comunes en los laboratorios y se utilizan en la fabricación de bajo volumen, pueden imprimir estructuras 3D de casi cualquier material (incluidos polímeros, cerámica, vidrio, cemento o metales) siempre que la tinta se fabrique correctamente. “Se necesita una reología perfecta”, dice Rahman.
Para conseguir esa mezcla perfecta, los investigadores experimentaron con dos formas diferentes de celulosa: largas hebras de moléculas llamadas nanofibras y estructuras cristalizadas llamadas nanocristales en una solución a base de agua. “Si se utilizan más nanofibras que nanocristales, se obtienen glóbulos gruesos que no se pueden imprimir, o se necesitan presiones muy altas para imprimirlos”, explica Rahman. Por el contrario, demasiado nanocristal hace que la tinta se vuelva acuosa y las estructuras impresas resultantes no mantienen su forma.
Los investigadores encontraron la combinación correcta de moléculas de celulosa y utilizaron lignina para unirlas. Debido a que no incluían ninguno de los aditivos sintéticos utilizados en los tipos existentes de impresión en madera, tanto la tinta como las estructuras impresas resultantes se pueden reciclar en sus partes constituyentes.
Como prueba de concepto, los investigadores imprimieron muebles en miniatura, letras del alfabeto y una celosía alveolar. Estas estructuras necesitaron algún procesamiento adicional para mantener completamente su forma: el secado al aire las deformó, por lo que el equipo de investigación las liofilizó a -80 grados Celsius (-112 grados Fahrenheit) en el vacío. A continuación, se sometieron a un tratamiento térmico a 180 grados C (356 grados F), lo que hizo que la lignina se ablandara y se adhiriera mejor.
Las estructuras impresas de esta manera tenían propiedades mecánicas y térmicas similares a las hechas de madera dura natural: se doblaban y comprimían de manera similar y tenían una resistencia al fuego comparable, explica Rahman. “Nuestro próximo objetivo es aumentar aún más las propiedades mecánicas para que puedan superar las propiedades de la madera dura”, afirma. Por ejemplo, ciertos aditivos podrían hacer que la madera sea más resistente al fuego.
Kevin Estelle, que investiga los procesos de micro-DIW en la Universidad Estatal de Washington, dice que el nuevo estudio ofrece una evaluación exhaustiva de las formas de modificar la eficacia de la tinta para madera. DIW “se utiliza mejor para crear piezas altamente complejas y personalizadas con una amplia gama de materiales”, afirma. Pero señala que este tipo de impresión 3D es relativamente lenta y se pregunta si un proceso como este podría reemplazar las formas tradicionales de producir piezas de madera para muebles o construcciones a mayor escala.
Rahman cree que ajustes adicionales a la reología de la nueva tinta para madera podrían permitir tiempos de impresión más rápidos. Él y su equipo también están intentando reducir el postprocesamiento que consume mucha energía y que sus productos impresos necesitan actualmente para mantener su forma. Estudios futuros podrían comparar cómo se comparan la energía y los costos de su método de reciclaje con los del procesamiento tradicional de la madera.