關于農作物秸稈3D打印材料綜合應用

覃楊華

摘 要：3D打印技術是一種先進的快速成型制造技術，在近些年得到各個行業的大量關注與重視。基于國內外與3D打印技術相關的研究與應用，對3D打印技術進行介紹，了解3D打印技術所應用的材料，對比農作物秸稈和其他材料的優缺點，提出相應的建議。

關鍵詞：農作物；秸稈材料；3D打印

中圖分類號：X503.231 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170532081

前言

隨著科技的發展，傳統制造技術已難以滿足人們使用需求，因此，尋找一種新的制造方法十分迫切，3D打印技術便在這樣的背景下應運而生。近年來由于3D打印技術越來越受到人們的關注，在各大主流媒體頻繁出現，成為當下與未來發展的新星。但因打印材料的緊缺與制備困難，打印成本昂貴，對3D打印技術的發展和深入市場化帶來一定的制約。農作物秸稈作為一種可再生資源，應用在3D打印技術中具有重要的現實意義。

1 3D打印技術的概述

3D打印技術源自20世紀90年代，是一種快速成型制造技術，因其制造特點獨特，又稱“增材制造技術”，工作原理為層層堆疊與逐層打印，是一種跨學科的交叉技術。3D打印技術是基于傳統二維打印技術基礎上的大膽創新，把二維打印延伸至三維領域，把噴墨式打印的平面圖案、文字等通過原材料逐層堆疊而成的三維立體實物，不但拓展出非主流化設計潮流，還彰顯出新時代個性化創新活力與創造潛力。

3D打印技術所需的成本較高，不僅因為3D打印機本身機器的價格高，更重要的是3D打印所使用的材料價格高，精密度越高與速度越快的3D打印，其對于材料的要求越高。而材料作為3D打印技術成型工藝與成型件性能及設備結構的核心，根據化學成分可分成金屬、陶瓷、聚合物及復合材料等，這些材料的價格較高，且數量有限，還要滿足剛度、強度、耐濕潮及熱穩定性要求和方便后續工藝處理。可見，3D打印因受到材料緊缺與材料價格問題的制約，難以快速形成市場化，對3D打印材料與其制備方法的深入研發帶來一定影響。

2 3D打印技術的材料及其優缺點

2.1 金屬材料

之所以3D打印倍受歡迎，主要因其可把物體的設計、創造或快速復制從改變變成現實。當前大多3D打印材料以塑料為主，而金屬所具有的良好力學強度與導電性使該領域的研究者對金屬物品打印持有濃厚的興趣。但將金屬作為3D打印的原材料使用價格非常昂貴，特別是作生產原料而使用的金屬材料，比如1kg的鈦金屬粉末用在3D打印上的價格是200～400美元，昂貴的原材料使得3D打印技術難以真正得到普及。

2.2 陶瓷材料

硅酸鋁陶瓷粉末可以用作陶瓷產品的3D打印，且3D打印出來這類陶瓷制品耐熱性高，不透水，無毒可回收，可以作為理想的餐具、飲具、花瓶、燭臺、藝術品及瓷磚等家居裝飾品，但因其強度不高，因此容易碎裂。

2.3 聚合物材料

用于3D打印常見的聚合物材料有聚乳酸（PLA）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）。ABS是最常用的3D打印熱塑性材料，不僅可生物降解，還有良好的柔韌性、抗高溫性及機械加工性，加上其強度高、耐磨性好與抗沖擊性大而常被工程師選用。但許多ABS部件會有精度障礙，和3D打印機的機床接觸時，表面容易向上卷曲，且打印較大物件時，要小心模型冷卻時因熱應力而引發的翹曲和變形。PLA是3D打印初期使用情況最好的原材料，呈半透明顏色與光澤質感，可經生物降解后變成活性堆肥，是由甘蔗與玉米淀粉所形成，能避免模型發生翹曲和變形，打印出其他材料難以打印的形狀。但PLA材料打印出來的物件無法抵抗高溫，一旦溫度超過50℃就會變形和軟化，給3D打印帶來巨大的麻煩。

2.4 復合材料

美國硅谷Arevo實驗室通過3D打印發現高強度的碳纖維復合材料，與傳統注塑定型和擠出方法相比，3D打印中通過對碳纖維的精確控制，可以優化電熱性能與特定機械的性能，具有優秀的抗化學與耐高溫性能，且可嚴格設定綜合性能。因3D打印復合材料的零件一次使用只可制造一層，每層可實現任何需要的纖維取向，因此其造價也會較為昂貴，且無法循環利用，適用于國防、航天及醫療方面。

3 農作物秸稈3D打印的綜合應用

和上述材料相比，農作物秸稈應用在3D打印中更具發展前景。農作物秸稈是在籽實收獲之后剩下的一些富含纖維成分的作物殘留物，主要有豆類、麻類、薯類、禾谷類、油料類及甘蔗、棉花、瓜果、煙草等作物的秸稈，其作為農作物當中主要的副產品，數量龐大，同時也是具有多類用途的一種可再生生物資源。根據聯合國的環境規劃署所做出的報道指出，世界上所種植的各類農作物秸稈每年可提供20億t，而我國的農作物秸稈每年產量大約是7億t，位居世界首位，其折合標準煤量是3.5億t左右，占全球秸稈總量約30%，我國農作物秸稈資源量每年占生物質資源量接近50%。

雖然農作物秸稈為一種珍貴的可再生資源，但因受到生活方式與消費觀念影響，我國的農作物秸稈資源基本還處在高污染、高消耗及低產出的現狀，大多數農作物秸稈都被棄置或焚燒，無法得到合理的開發與利用。根據調查，我國農作物秸稈的利用率在33%左右，其中大多數都未經過處理，經處理后所利用的量只有26%左右。所以，對農作物秸稈資源進行綜合應用對保護環境、節約資源、增加收入及促進農業可持續發展等具有重要意義。

然而，將秸稈用在3D打印中的新材料，不僅可以解決農民農收問題，保護環境，還能在加工回收后獲取3D打印的新材料，這樣可以顯著降低3D打印的成本。農作物結鋼有著非常高的利用價值，其熱值高，相當于標準煤的50%，經測定，農作物秸稈的熱值大約15000KJ/kg，且農作物秸稈中含有多種能夠被有效利用的成分，除了大部分的碳之外，還有鈣、鉀、鎂、硅、磷、氮等礦物質元素及有機成分纖維素、木質素、半纖維素、蛋白質、灰分及脂肪等，這些物質可作為資源進行利用。

如用玉米秸稈等原料經過加工后可以打印出木紋餐具與花瓶等生活常用品，這種采用農作物秸稈經3D打印所生產的產品有著天然草木色的紋理與秸稈特有的清香，使所打印出來的產品更具木質感，不僅實用，還具有觀賞價值，且農作物秸稈用做3D打印的材料，綠色環保，具有非常廣泛的應用前景。

4 結語

3D打印技術的出現受到多個國家的關注與重視，且對傳統的制造方法帶來巨大突破，在其不斷發展的過程中為各類似行業所存在的問題提供新解決思路與方法。因此，各國開始大力發展3D打印打印技術，并將農作物秸稈應用到3D打印中，相信在未來3D打印技術會逐漸滲透到人們的生活中，變成社會發展新航標。

參考文獻

[1]曾昆.我國3D打印材料之殤及應對之道[J].資源再生，2014（09）.

[2]孫聚杰.3D打印材料及研究熱點[J].絲網印刷，2013（12）.