Projektet pågick mellan maj 2022 och februari 2024.
Idag används kolfiber som armeringsmaterial i många kompositmaterial. Kolfiber tillverkas från akrylnitril, som är toxisk och oljebaserad. Kan man byta ut kolfibern mot en miljövänligare biofiber som nanocellulosa, tar man ett steg mot miljövänligare och hållbarare produktion. Nanocellulosa kan tillverkas från flera råvaror.
Professor Armando Cordovas forskargrupp har tillsammans med Organofuel AB utvecklat en miljövänlig metod för modifiering av nanocellulosa från barrsulfatmassa. Marknaden för 3D-filament är idag kraftigt växande och detta projekt kan erbjuda miljövänligare teknik och biomaterial för 3D-skrivarindustrin, och då tas ett första steg mot att inlemma den snabbt växande additiva tillverkningsindustrin i den biobaserade samhällsekonomin.
Mittuniversitetet och Organofuel Sweden AB har i projektet framställt specifikt modifierad cellulosa, som kompanderades till granulat med pilotutrustning hos extern part. Infold AB konverterade granulaten till 3D-skrivningarfilament. Filamenten har sedan analyserats för 3D-skrivbarhet och tekniska och kemiska egenskaper hos Infold AB.
Bild från projektet.
Deltagare
Infold AB, Mittuniversitetet och Organofuel AB.
Budget
Projektets budget var 4 MSEK.
Därför var detta viktigt
Den additiva tillverkningsindustrin växer snabbt och kolfiber är vanlig som armering i 3D-filament, men kolfiber tillverkas från petrokemikalier. Projektet ville i stället armera med förnyelsebar och återvinningsbar nanocellulosa och därmed driva på utvecklingen av mer förnyelsebar och biobaserad teknik och samhällsekonomi.
Förväntade resultat
Med BioInnovation steg 1, fick projektet indikationer på hur cellulosa och processen kunde nyttjas för att skapa 3D-filament av cellulosakomposit. I detta projekt (steg 2) ville man visa sin tes och skala upp produktionen till pilotskala (50–100 kg; TRL 7). Projektparterna hade god kännedom om kundernas och marknadens behov och ville genom uppskalning möjliggöra kundtestning genom utökad produktion av materialet.
Den övergripande hållbarheten i projektets lösning jämfört med alternativet var tydlig (SRL 3, byta mineraloljaprodukt mot bioprodukt). Projektparterna siktade att nå SLR 6, då till exempel en cellulosakomposit tråd med exempelvis PLA (polylactid acid) består av 100% biomaterial och kunde ingå i ett kretslopp med bionedbrytbarhet och återvinnbarhet, vilket dagens kolfiberbaserade 3D-tråd inte kan.
Projektets bidrag till en biobaserad samhällsekonomi
Genom att armera med förnyelsebar och återvinningsbar nanocellulosa kan utvecklingen mot mer förnybar och biobaserad fortsätta. Och att ersätta kolfiber med cellulosa i 3D-skrivarfilament kan avhjälpa flera problem – kolfiber sliter på munstycken och skruvar och är hälsovådligt i framställning samt konvertering.
Vidare har projektet använt svensk fiber-råvara för produktionen av nanocellulosa. Nanocellulosan tillverkades med en ny miljövänlig katalysator och derivatiseringsmetod. Och projektet har genererat ny know-how och nya samarbeten mellan industri och akademi inom biokompositområdet, som man avser att vidareutveckla.
Konkreta resultat och leverabler
I Bioinnovationsprojektet steg 1 erhöll projektet nanocellulosa-PLA komposit med förbättrade styrkeegenskaper, men hade problem med gasbilding under 3D-filamentproduktionen. Gasen orsakade ojämn yta och filamentet fungerade inte tillfredställande i 3D-skrivare. I detta fortsättningsprojekt (steg 2) vidareutvecklades derivatiseringen av cellulosan (med en annan katalysator). Dessutom optimerades extruderingsparametrarna för 3D-filamentet. Tillsammans har detta löst problemen projektet stötte på i steg 1 och kan nu producera biokomposit 3D-filament av kommersiell kvalité, och som består av 100% biologiska råvaror.
Den nya nanocellulosaprocessen har resulterat i en patentansökan:
Title: A process for the preparation of micro- and/or nanocellulose that is surface functionalized with lactic acid ester. PCT application number: PCT/EP2023/081668. Date of receipt: 13 November 2023. Applicant: Organofuel Sweden AB
Effekter och potential
Patentet för att derivatisera nanocellulosa har potential att användas till andra ändamål. Och att använda nanocellulosa i 3D-filament skulle kunna utgöra en relativ högmarginalprodukt för cellulosa, vars industri ofta genererar hög volym men låg marginal-produkter.
För den additiva tillverkningsindustrin är miljövänlighet ett försäljningsargument, men som måste följas upp med (tillräckligt) goda materialegenskaper. Där har detta projekt bidragit med positiva resultat.
Projektet har även sett positiva materialegenskaper med nanocellulosa i andra plaster (polyolifiner) och där finns ytterligare miljöfördelar att vinna i andra tillverkningsmetoder (formsprutning eller vacuumpressning etcetera).
Detta projekt har i dagsläget resulterat i en ny tjänst, och framöver kan det bli ytterligare anställningar (beroende på produktion, produkt och ekonomi).
Samhälleliga förutsättningar
EU har en cirkulär ekonomi-handlingsplan som indirekt stöder användningen av biofibrer. Det finns även ett direktiv om engångsplast som syftar till att minska konsumtionen av engångsplast och främja bio-baserade material. EU:s bioekonomistrategi syftar även till att minska beroendet av icke-förnyelsebara råvaror (som oljebaserade kemikalier och plast) vilket också gynnar bio-baserade material som biofibrer. Dessutom finns Horizon Europe som stödjer forskning inom bland annat biofiber. Så det finns flera krafter som gynnar ökad användningen av biofibrer i produkter i Europa. Där befinner sig additiv tillverkning som teknologi, som en del i utvecklingen mot mer miljövänliga material och processer, med tekniska och ekonomiska utmaningar.
För 3D-filament och prototyp-utveckling i plast och komposit är materialegenskaper (styrka, skrivbarhet, vidhäftningsförmåga) avgörande för dess funktionalitet. Men även priset på materialet. Projektet tror dock inte att priset är ett problem, då cellulosa redan är relativt billigt och det kommer att finnas skalfördelar i framtida nanocellulosa-produktion.
Extern synlighet
Projektet är ännu inte presenterat i media eller konferenser nationellt eller internationellt, då de sista data och bästa resultaten uppnåddes tämligen sent in på projekttiden.
Nästa steg
Nästa steg i användningen av kunskapen, resultaten och det nya 3D-filamentet som projektet har tagit fram kommer att bero på de ekonomiska förutsättningarna. Men nya projekt lär följa och vägvisande diskussioner med olika intressenter kommer att påverka nästa steg.
Läs om Biocell-Filament – steg 1.