3D printing of cellulose-based materials

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi
Date
2017-05-08
Department
Major/Subject
Koneensuunnittelu
Mcode
K3001
Degree programme
Konetekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
57+3
Series
Abstract
Cellulose-based materials are considered potential biomaterials of the future. Their main benefits include wide availability of the raw material and extensive modifiability. Recent efforts aim to find new applications for the materials. Using 3D printing manufacturing method would advance finding the new applications. Cellulose-based materials have been 3D printed before in tissue engineering research, but for other applications, the research on the subject has been limited. The 3D printability of cellulose-based materials was examined by developing a cellulose 3D printer and testing the performance of different cellulose-based materials for the application. The printer development focused on designing the extruder. Extrusion solutions were searched and prototypes based on them manufactured and evaluated. Based on the evaluation, a feedback controlled syringe extruder was developed. In addition, a commercial progressive cavity pump-based extruder was tested. The tested materials included cellulose derivatives and nanocellulose suspensions. Cellulose derivatives consisted cellulose acetate and cellulose acetate-butyrate in acetone solutions. Nanocellulose suspensions consisted wet nanocellulose fibers mixed with dry nanocellulose particles in an aqueous suspension in varying ratios and dry matter contents. Extruder performance and the printability of the test materials was first evaluated qualitatively. In addition, the critical print parameters and the best performing materials were defined for further testing. Print quality was assessed quantitatively by testing its repeatability, the effect of the critical print parameters and by comparing the deformation and shrinkage of two nanocellulose materials. The measurements were conducted with custom optical system based on photography and image recognition. 3D printing can be utilized to manufacture objects from cellulose-based materials. The results demonstrated that 3D objects that retained their shape upon air-drying were printable from high dry matter content nanocellulose suspensions. The printing quality was repeatable. The shrinkage of the printed nanocellulose samples was consistent and adjusting the print parameters reduced the resulting deformation. By compensating the shrinkage, air-drying can be used to solidify simple objects printed from high dry matter content nanocellulose suspensions.

Selluloosapohjaisilla materiaaleilla on potentiaalia toimia tulevaisuuden biomateriaaleina. Niiden etuina ovat raaka-aineen hyvä saatavuus sekä laaja muokattavuus. Materiaaleille ollaan etsimässä uusia sovelluskohteita. 3D-tulostuksen soveltaminen edistäisi uusien sovelluskohteiden löytämistä. Selluloosapohjaisia materiaaleja on 3D-tulostettu aikaisemmin kudosteknologian tutkimuksessa, mutta muissa sovelluksissa tutkimus on ollut vähäisempää. Materiaalien tutkimista varten kehitettiin selluloosan 3D-tulostin, jolla tutkittiin selluloosamateriaalien soveltuvuutta 3D-tulostamiseen. Tulostimen kehityksessä keskityttiin tulostuspään suunnitteluun. Erilaisia ekstruuderiratkaisuja etsittiin ja niistä valmistettujen prototyyppien toimivuutta arvioitiin. Arvioinnin perusteella kehitettiin ruiskupumppuun perustuva tulostuspää, jossa männän nopeutta ohjataan takaisinkytkentäsäädöllä. Lisäksi testattiin kaupallista epäkeskoruuvipumppuun perustuvaa tulostuspäätä. Tulostuskokeissa tulostettiin selluloosajohdannaisia ja nanoselluloosasuspensioita. Selluloosajohdannaisina käytettiin selluloosa-asetaattia ja selluloosa-asetaatti-butyraattia asetoniin liuotettuina. Nanoselluloosasuspensioissa veteen oli sekoitettu kuivaamattomia ja kuivia nanoselluloosakuituja eri suhteissa ja eri kuiva-ainepitoisuuksilla. Ekstruudereiden toimivuutta ja koemateriaalien tulostettavuutta arvioitiin kvalitatiivisissa tulostuskokeissa. Kokeissa määritettiin myös kriittiset tulostusparametrit sekä parhaiten toimivat materiaalit. Tulostuslaatua arvioitiin kvantitatiivisesti mittaamalla sen toistettavuutta, kriittisten tulostusparametrien arvojen vaikutusta tulostuksen lopputulokseen sekä vertaamalla kahden eri nanoselluloosamateriaalin kutistumista ja siitä aiheutuvia deformaatioita toisiinsa. Mittaukset suoritettiin tarkoitusta varten kehitetyllä optisella valokuvaukseen ja kuvantunnistukseen perustuvalla menetelmällä. 3D-tulostamalla pystyttiin valmistamaan koekappaleita selluloosapohjaisista materiaaleista. Lisäksi ilmakuivauksen aiheuttaman kutistumisdeformaation kestäviä kappaleita saatiin tulostettua korkean kuiva-ainepitoisuuden nanoselluloosasuspensioista. Tulostuslaatu oli toistettavissa. Nanoselluloosasuspensioista tulostettujen kappaleiden kutistuminen oli tasaista ja tulostusparametrien arvoja muokkaamalla pystyttiin vähentämään kutistumisesta aiheutuvia deformaatioita. Kun kutistuminen kompensoidaan, voidaan ilmakuivausta käyttää yksinkertaisten kappaleiden kovettamisessa korkean kuiva-ainepitoisuuden nanoselluloosasuspensioilla.
Description
Supervisor
Kuosmanen, Petri
Thesis advisor
Klar, Ville
Keywords
3D printing, nanocellulose, nanofibrillated cellulose, cellulose derivative, cellulose acetate
Other note
Citation