‘3D-printen met cellulose is goedkoper en sterker’

Al eeuwenlang vormt cellulose de basis van ’s werelds meest overvloedige materiaal waarop geprint wordt: papier. Dankzij nieuw onderzoek aan de Massachusetts Institute of Technology (MIT) wordt het misschien ook een materiaal om méé te printen. Cellulose kan daarmee een duurzaam alternatief vormen voor de polymeren die nu worden gebruikt.

“Cellulose is het meest overvloedige organische polymeer in de wereld”, stelt Sebastian Pattinson, hoofdauteur van het onderzoek. “Cellulose en zijn derivaten worden gebruikt in medicijnen, medische apparaten, voedingssupplementen, bouwmaterialen, kleding. Kortom, voor allerlei (nieuwe) toepassingen. Veel van deze producten zouden profiteren van het soort maatwerk dat additieve manufacturing (3D-printen) mogelijk maakt.“

Acetaat 

Cellulose is grotendeels verantwoordelijk voor de mechanische eigenschappen van hout Het is het duurzaam, biologisch afbreekbaar en chemisch heel veelzijdig. Het gebruik van cellulose als materiaal voor additieve manufacturing is geen nieuw idee en veel wetenschappers hebben een poging gedaan om hier een manier voor te vinden. De meesten liepen echter tegen obstakels aan. Als cellulose verhit wordt, lost het thermaal op voordat het vloeibaar wordt. Dat komt deels door de waterstofbruggen tussen de onderlinge cellulose-moleculen. 

Het MIT-team gebruikte in plaats daarvan cellulose-acetaat, een materiaal dat makkelijk te maken is van cellulose en al wereldwijd geproduceerd wordt en ruim beschikbaar is. Het aantal waterstofverbindingen is verminderd door de acetaatgroepen. Cellulose-acetaat kan opgelost worden in aceton en geëxtrudeerd worden door een nozzle. Het aceton verdampt snel waardoor het materiaal stolt. Een optionele extra behandeling waarbij de acetaatgroepen worden vervangen, kan het geprinte onderdeel vervolgens versterken.

Extra dimensie

“Nadat we 3D-printen, herstellen we het waterstof gebonden netwerk door middel van een sodium hydroxide behandeling”, aldus Pattinson. Hij voegt daaraan toe dat de kracht en stevigheid van de uiteindelijke onderdelen beter zijn dan die van de meeste veel gebruikte materialen voor 3D-printen, waaronder ABS en PLA. 

Om de chemische veelzijdigheid van het productieproces aan te tonen, hebben de onderzoekers een extra dimensie aan de innovatie toegevoegd. Zo voegden ze een antimicrobiële kleurstof aan de plantaardige inkt toe en printten een paar antibacteriële chirurgische pincetten. Deze pincetten doodden de meeste bacteriën toen ze werden blootgesteld aan fluorescerend licht. Volgens MIT kunnen zulke op maat gemaakte chirurgische gereedschappen ‘bruikbaar zijn voor afgelegen medische instellingen waar kapot gereedschap moeilijk te vervangen is of waar behoefte is aan op maat gemaakte benodigdheden’. De antimicrobiële functie kan bovendien essentieel zijn in een operatiekamer waar de steriliteit niet optimaal is. 

Doordat meeste bestaande extruderende 3D-printers werken op basis van het verhitten van polymeer om het vloeibaar te maken, is de productiesnelheid beperkt omdat polymeer maar een bepaalde hoeveelheid warmte aankan zonder te beschadigen. Het voordeel van het nieuwe door MIT ontwikkelde proces en het feit dat het afhankelijk is van de verdamping van aceton om het geprinte onderdeel versterken, is dat het bij kamertemperatuur uitgevoerd kan worden. Dit kan een sneller printproces opleveren. Daarnaast kunnen de ruime beschikbaarheid en lage kosten van cellulose wereldwijd het materiaal commercieel aantrekkelijk maken.

Door: Kelly Bakker

Bron foto’s: wetenschappers MIT.