導讀：天然木材作爲建築、家具及建築結構的基本材料，其曆史可追溯至數千年前，其成型過程通常采用減材制造技術。但是，這種方法往往會産生大量的木材廢料，不僅導致材料利用率低下，還會增加生産成本。如果能夠利用3D打印技術創造出複雜的木結構，便能開辟出一條新的可能性，這將促進天然木材的升級和回收利用。

近日，萊斯大學的研究人員在《科學進展》雜志上發表了一項創新研究，展示了使用3D打印技術制造可持續木結構的巨大潛力，提供了一種比傳統制造方法更加環保的替代方案。通過直接墨水書寫（DIW）技術生産複雜木結構，再通過熱處理，這些打印出的結構在視覺、質地、氣味以及宏觀的各向異性特性上，包括其機械特性，都與天然木材極爲相似。該研究利用了一種特殊的無添加劑水基墨水，由天然木材的兩大基本組成部分——木質素和纖維素制成。這不僅避免了使用任何粘合劑或外來聚合物，而且在處理廢木材時也沒有使用如丙酮等化學品，進一步減少了環境負擔。這種墨水的制造過程充分利用了大量的木材廢物，如鋸末和木屑。

爲了達到最佳的打印效果，研究團隊提出了一種特定的墨水混合比例：25%的木質素、37.5%的CNF和CNC，以及適量的水。這種混合物的質地類似于粘土，非常適合直接墨水書寫 (DIW) 3D打印技術。與目前市面上約70%成分爲PLA的3D打印木絲相比，這種新型木材墨水的使用更加環保，更加貼近天然木材的特性。制作和打印木質墨水的過程相對簡單直接，但要完成從木墨粘土到3D形狀的轉換，需要進行一系列特定的冷凍和加熱步驟。首先，打印出的樣本需在幹冰下放置30分鍾，然後在-85攝氏度和0.1毫巴的壓力下冷凍幹燥48小時。隨後，將樣本進行熱處理，放入預熱至180攝氏度的烤箱中烘烤20分鍾，必要時還會加入熱壓步驟。

盡管這種基于木材的墨水在所有制造步驟中都展現出了可持續性，但仍需要冷凍幹燥和加熱步驟的能源密集性工藝。因此，要更全面地了解該過程的可持續性，未來需要進行技術經濟分析和生命周期評估。此外，在擴大工藝規模的同時，還需要對擠出參數、油墨配方和流變學以及複雜建築規模結構的懸垂限制進行進一步的實驗研究。盡管如此，這種通過DIW使用納米級構建塊3D打印木材的技術可以爲木材的回收利用、實現複雜的建築木結構以及開發機械堅固且功能齊全的混合3D打印木結構鋪平道路。