关于农作物秸秆3D打印材料综合应用

覃杨华

摘 要：3D打印技术是一种先进的快速成型制造技术，在近些年得到各个行业的大量关注与重视。基于国内外与3D打印技术相关的研究与应用，对3D打印技术进行介绍，了解3D打印技术所应用的材料，对比农作物秸秆和其他材料的优缺点，提出相应的建议。

关键词：农作物；秸秆材料；3D打印

中图分类号：X503.231 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170532081

前言

随着科技的发展，传统制造技术已难以满足人们使用需求，因此，寻找一种新的制造方法十分迫切，3D打印技术便在这样的背景下应运而生。近年来由于3D打印技术越来越受到人们的关注，在各大主流媒体频繁出现，成为当下与未来发展的新星。但因打印材料的紧缺与制备困难，打印成本昂贵，对3D打印技术的发展和深入市场化带来一定的制約。农作物秸秆作为一种可再生资源，应用在3D打印技术中具有重要的现实意义。

1 3D打印技术的概述

3D打印技术源自20世纪90年代，是一种快速成型制造技术，因其制造特点独特，又称“增材制造技术”，工作原理为层层堆叠与逐层打印，是一种跨学科的交叉技术。3D打印技术是基于传统二维打印技术基础上的大胆创新，把二维打印延伸至三维领域，把喷墨式打印的平面图案、文字等通过原材料逐层堆叠而成的三维立体实物，不但拓展出非主流化设计潮流，还彰显出新时代个性化创新活力与创造潜力。

3D打印技术所需的成本较高，不仅因为3D打印机本身机器的价格高，更重要的是3D打印所使用的材料价格高，精密度越高与速度越快的3D打印，其对于材料的要求越高。而材料作为3D打印技术成型工艺与成型件性能及设备结构的核心，根据化学成分可分成金属、陶瓷、聚合物及复合材料等，这些材料的价格较高，且数量有限，还要满足刚度、强度、耐湿潮及热稳定性要求和方便后续工艺处理。可见，3D打印因受到材料紧缺与材料价格问题的制约，难以快速形成市场化，对3D打印材料与其制备方法的深入研发带来一定影响。

2 3D打印技术的材料及其优缺点

2.1 金属材料

之所以3D打印倍受欢迎，主要因其可把物体的设计、创造或快速复制从改变变成现实。当前大多3D打印材料以塑料为主，而金属所具有的良好力学强度与导电性使该领域的研究者对金属物品打印持有浓厚的兴趣。但将金属作为3D打印的原材料使用价格非常昂贵，特别是作生产原料而使用的金属材料，比如1kg的钛金属粉末用在3D打印上的价格是200～400美元，昂贵的原材料使得3D打印技术难以真正得到普及。

2.2 陶瓷材料

硅酸铝陶瓷粉末可以用作陶瓷产品的3D打印，且3D打印出来这类陶瓷制品耐热性高，不透水，无毒可回收，可以作为理想的餐具、饮具、花瓶、烛台、艺术品及瓷砖等家居装饰品，但因其强度不高，因此容易碎裂。

2.3 聚合物材料

用于3D打印常见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打印热塑性材料，不仅可生物降解，还有良好的柔韧性、抗高温性及机械加工性，加上其强度高、耐磨性好与抗冲击性大而常被工程师选用。但许多ABS部件会有精度障碍，和3D打印机的机床接触时，表面容易向上卷曲，且打印较大物件时，要小心模型冷却时因热应力而引发的翘曲和变形。PLA是3D打印初期使用情况最好的原材料，呈半透明颜色与光泽质感，可经生物降解后变成活性堆肥，是由甘蔗与玉米淀粉所形成，能避免模型发生翘曲和变形，打印出其他材料难以打印的形状。但PLA材料打印出来的物件无法抵抗高温，一旦温度超过50℃就会变形和软化，给3D打印带来巨大的麻烦。

2.4 复合材料

美国硅谷Arevo实验室通过3D打印发现高强度的碳纤维复合材料，与传统注塑定型和挤出方法相比，3D打印中通过对碳纤维的精确控制，可以优化电热性能与特定机械的性能，具有优秀的抗化学与耐高温性能，且可严格设定综合性能。因3D打印复合材料的零件一次使用只可制造一层，每层可实现任何需要的纤维取向，因此其造价也会较为昂贵，且无法循环利用，适用于国防、航天及医疗方面。

3 农作物秸秆3D打印的综合应用

和上述材料相比，农作物秸秆应用在3D打印中更具发展前景。农作物秸秆是在籽实收获之后剩下的一些富含纤维成分的作物残留物，主要有豆类、麻类、薯类、禾谷类、油料类及甘蔗、棉花、瓜果、烟草等作物的秸秆，其作为农作物当中主要的副产品，数量庞大，同时也是具有多类用途的一种可再生生物资源。根据联合国的环境规划署所做出的报道指出，世界上所种植的各类农作物秸秆每年可提供20亿t，而我国的农作物秸秆每年产量大约是7亿t，位居世界首位，其折合标准煤量是3.5亿t左右，占全球秸秆总量约30%，我国农作物秸秆资源量每年占生物质资源量接近50%。

虽然农作物秸秆为一种珍贵的可再生资源，但因受到生活方式与消费观念影响，我国的农作物秸秆资源基本还处在高污染、高消耗及低产出的现状，大多数农作物秸秆都被弃置或焚烧，无法得到合理的开发与利用。根据调查，我国农作物秸秆的利用率在33%左右，其中大多数都未经过处理，经处理后所利用的量只有26%左右。所以，对农作物秸秆资源进行综合应用对保护环境、节约资源、增加收入及促进农业可持续发展等具有重要意义。

然而，将秸秆用在3D打印中的新材料，不仅可以解决农民农收问题，保护环境，还能在加工回收后获取3D打印的新材料，这样可以显著降低3D打印的成本。农作物结钢有着非常高的利用价值，其热值高，相当于标准煤的50%，经测定，农作物秸秆的热值大约15000KJ/kg，且农作物秸秆中含有多种能够被有效利用的成分，除了大部分的碳之外，还有钙、钾、镁、硅、磷、氮等矿物质元素及有机成分纤维素、木质素、半纤维素、蛋白质、灰分及脂肪等，这些物质可作为资源进行利用。

如用玉米秸秆等原料经过加工后可以打印出木纹餐具与花瓶等生活常用品，这种采用农作物秸秆经3D打印所生产的产品有着天然草木色的纹理与秸秆特有的清香，使所打印出来的产品更具木质感，不仅实用，还具有观赏价值，且农作物秸秆用做3D打印的材料，绿色环保，具有非常广泛的应用前景。

4 结语

3D打印技术的出现受到多个国家的关注与重视，且对传统的制造方法带来巨大突破，在其不断发展的过程中为各类似行业所存在的问题提供新解决思路与方法。因此，各国开始大力发展3D打印打印技术，并将农作物秸秆应用到3D打印中，相信在未来3D打印技术会逐渐渗透到人们的生活中，变成社会发展新航标。

参考文献

[1]曾昆.我国3D打印材料之殇及应对之道[J].资源再生，2014（09）.

[2]孙聚杰.3D打印材料及研究热点[J].丝网印刷，2013（12）.