Biocell-Filament – steg 1

Projektet pågick mellan november 2020 och mars 2021.

Hypotesen som detta projekt ville få bekräftad var om kolfiber kan ersättas med nanocellulosa som styrkemedel i Fused Filament Fabrication (FFF), det vill säga filament för 3D-utskrift.

Idag används kolfiber som armeringsmaterial i många kompositmaterial. Kolfiber tillverkas från akrylnitril, som är toxisk och oljebaserad. Om kolfibern kan bytas ut mot en miljövänligare biofiber som nanocellulosa, innebär det att steg tas mot en mer miljövänlig och mer hållbar produktion.

Nanocellulosa kan tillverkas från flera råvaror. Professor Armando Cordovas forskargrupp har tillsammans med Organofuel AB utvecklat en miljövänlig metod för framställning av nanocellulosa från barrsulfatmassa. Denna nanocellulosa skulle utvecklas och testas som substitut till kolfiber i 3D-skrivarfilament.

Projektet syftade till att tillverka mer miljövänliga armerade 3D-skrivarfilament. Målet för projektet var att utveckla nanocellulosa och testa denna som substitut till kolfiber i 3D-skrivarfilament.

Deltagare

Infold AB, MittUniversitetet, Organofuel Sweden AB och Trifilon AB.

Budget

Projektets totala budget var 1 060 000 SEK.

Därför var detta viktigt

Den additiva tillverkningsindustrin växer snabbt och kolfiber är vanlig som armering i 3D-filament, men kolfiber tillverkas från petrokemikalier. Genom att armera med förnyelsebar och återvinningsbar nanocellulosa, och kunna kommersialisera de mest lovande applikationerna, skulle utvecklingen mot mer förnybar och biobaserad teknik kunna drivas på.

Att ersätta kolfiber med cellulosa i 3D-skrivarfilament, kan skulle kunna avhjälpa flera problem – kolfiber sliter på munstycken och skruvar och är hälsovådligt i framställning samt konvertering.

Förväntade resultat

Armerad 3D-filament kommer göras miljövänligare genom att petroleumbaserad kolfiber skulle bytas ut mot lignocellulosa-baserad nanocellulosa. Om nanocellullosaarmerad biokomposit och enklare plaster erhåller förbättrade mekaniska egenskaper, skulle de kunna ersätta hårdare och mindre miljövänliga plaster. Nanocellulosan skulle tillverkas/modifieras med en ny miljövänlig metod. En miljövänlig organisk katalysator skulle användas i den patenterade modifieringsprocessen.

Konkreta resultat

Projektet har: 1) tagit fram och tillverkat nya modifierade nanocellulosor, 2) kompanderat nanocellulosorna med plast och tillverkat nya nanocellulosakompositer, och 3) extruderat nanocellulosakompositerna till FFF 3D-skrivartråd.

FFF 3D-filament av nanocellulosa-plastkomposit tillverkades, och man fann att 3D-filamenten blev signifikant starkare med tillsats av modifierad nanocellulosa. Mätningar av materialegenskaperna visar att 2% och 5% inblandning av nanocellulosa minskar relativ töjbarhet (det vill säga blir styvare) med 22%, respektive 50%. Däremot fann projektet att trådens skrivbarhet (i 3D-skrivaren) inte uppnådde kommersiell standard, orsaken till detta har identifierats och optimering av processbetingelserna kommer att följa.

Dessutom, som en biprodukt från projektet, fann man att nanocellulosa kan användas som en miljövänlig och kostnadseffektiv utfyllnad av bioplasten PLA (polylactid acid). PLA är en väldig populär bioplast och det är tidvis en bristvara.

Nästa steg

Projektet erhöll en del viktig ny kunskap under projektets gång, kunskap de avser att utnyttja framöver. Dels för nya nanocellulosa-kompositformuleringar för 3D-skrivare (det vill säga direkt fortsättning av detta Bioinnovation-projekt), dels för nya kompositer för andra ändamål, till exempel formsprutning.

Projektparterna kommer att fortsätta utvecklingsarbetet då de ser att behovet finns (tekniskt och marknadsmässigt) och att de har verktygen att fylla de behoven.

Bilden visar en 3D-skrivare, med rulle gult filament till höger.