大自然经常使用纤维复合材料。大自然的建设原则需要很少的材料和能源，从而确保动物和植物物种的生存。例子包括木材、植物茎、几丁质外壳、骨骼或组织如肌腱和皮肤。蚌壳或蜘蛛丝也是复合组织。我们可以利用这些原则来设计和制造基于生物的、可持续的纤维增强复合材料，这种材料目前需求量很大。生物基纤维增强复合材料由嵌入生物基基质中的天然纤维或纤维素纤维组成。生物基成分提供了与常用玻璃纤维复合材料相当的性能。德国纺织和纤维研究所(DITF)与Arburg GmbH + Co KG一起，正在开发一种节能和节材的3D打印工艺，用于制造这种轻质生物基纤维复合材料。
在天然存在的纤维复合材料中，增强纤维如胶原或纤维素原纤维嵌入木质素、半纤维素或胶原的基质中。纤维束与应力模式对齐。组织主要是通过在环境温度下发生的基于溶液的物理化学过程形成的。与自然相似，具有连续纤维增强的新3D打印工艺也允许根据负载在正确的位置(拓扑优化)和适当的方向沉积纤维束。然而，天然纤维如纤维素纤维对较高的温度很敏感。因此，它们不能在通常采用的热塑性3D打印工艺中加工。
用纤维素基粘合剂拉挤的纤维素纤维
研究工作的结果是3D打印纤维复合材料组件，由嵌入纤维素基基质中的纤维素连续纤维组成。新开发的3D打印工艺能够在环境温度下制造复合材料。这意味着——就像自然界一样——材料和成分可以在室温下通过单一操作同时生产。
3D打印的连续纤维增强测试样片
纤维素纤维束首先用粘合剂稳定，以便在印刷机中加工。特殊设计的打印头将粘合剂转化为包裹纤维素连续纤维的基质。由于纤维素纤维和基质具有相似的化学结构，复合材料组分特别稳定。机械性能如断裂强度特别好。该研究团队开发的基于解决方案的节能制造方法也可用于其他复合材料制造过程。它特别适合加工需求量大的温度敏感材料，如天然纤维或纤维素纤维。
“CellLoes-3D-Druck”研究项目由德国联邦教育和研究部资助，是“生物技术”创意竞赛的一部分。
18321220911