3D-printing med träEn möjlighet för framtiden?

Examensarbete 15 högskolepoäng C-nivå

3D-printing med trä

En möjlighet för framtiden?

Nathalie Pettersson och Rikard Touma

Högskoleingenjör, byggteknik, 180 högskolepoäng

Örebro vårterminen 2021

Examinator: Amir Sattari Wood-based 3D printing - A future possibility?

Förord

3D-printing är ett utvecklingsområde som få aktörer i byggbranschen utnyttjar och ännu är det främst materialet betong som används. I detta arbete undersöks möjligheterna till

användning av träbaserade material. Målsättningen med detta arbete är varken att alla ska börja bygga med 3D-skrivare eller att de som gör det ska byta ut sina material. Vi vill dock öppna upp för en diskussion gällande de material som används idag.

Detta examensarbete omfattar 15 högskolepoäng och är den avslutande uppgiften i vår utbildning, högskoleingenjör i byggteknik, vid Örebro universitet. Arbetet påbörjades under vårterminen 2021.

Ett stort tack till Överskottscentralen och Lars Jansson på PEAB Asfalt, som bidragit med material till den laborativa delen av arbetet. Vi vill också rikta ett varmt tack till vår handledare på Örebro Universitet, Camilla Persson, för sina råd och sitt engagemang under arbetets gång. Ett lika varmt tack till laboratorieingenjörerna Joakim Larsson och Per Lindström på Örebro Universitet för hängiven hjälp och stöd under de praktiska momenten. Örebro, Maj 2021.

Sammanfattning

3D-skrivare har många användningsområden och de har blivit vanliga i många industrier. Idag talas det om att denna teknik kan vara en möjlig väg till mer hållbart byggande. Tekniken anses lovande inom byggproduktion bland annat för att det visat sig att den kan reducera materialspillet och ge kortare byggtider. Till viss del används tekniken redan för byggnadstillverkning, men då främst med betong.

Målet med arbetet är att beskriva nuvarande kunskap rörande 3D-printing med träbaserad massa, samt att undersöka möjligheten till att använda en träbaserad massa bestående av sågspån, vatten och lignin vid 3D-printing.

För att kunna nå målet användes en kombination av litteratursökning och laborativa

experiment. Litteratursökningen användes både för att undersöka tidigare genomförda studier gällande träbaserade material i samband med 3D-printing, samt som inspiration för de ingredienser och proportioner som används i de laborativa experimenten.

Enbart studier om träbaserad 3D-printing studerades. De testobjekt som togs fram i de laborativa experimenten utvärderades i hållfasthet, dimensionsstabilitet och vidhäftning. Resultaten av det laborativa arbetet tyder på att det framtagna materialet går att extrudera, men att det har låg draghållfasthet. Lagren bands samman bra för samtliga tester, medan tryckhållfastheten gav varierande resultat. Högst tryckhållfasthet gavs av den blandning som hade högst andel lignin, samt torkades under längst tid.

Slutsatsen är att materialet kan vara till nytta, men att rätt användningsområde bör bestämmas, då materialet inte tål alltför stora laster.

Abstract

3D printers have many uses and they have become common in many industries. Today, this technology is seen as a possible route to more sustainable construction. The technology is considered promising in construction engineering, among other things because it has been shown that it can reduce material waste and provide shorter production times. To some extent, the technology is already being used for building construction, but then mainly with concrete.

The aim of this study is to describe current knowledge regarding 3D printing with wood- based pulp and to investigate the possibility of using a wood-based pulp consisting of sawdust, water and lignin for 3D printing.

In order to reach the goal, a combination of literature search and laboratory experiments was used. The literature search was used both to investigate previously conducted studies regarding wood-pulp based materials in 3D printing and as inspiration for the ingredients and proportions used in the laboratory experiments.

Only studies on wood-based 3D printing were studied. The test objects produced in the laboratory experiments were evaluated in strength, dimensional stability and adhesion. The results of the laboratory work indicate that the produced material can be extruded, but that it has low tensile strength. The layers bonded well for all tests, while the compressive strength results varied. The highest compressive strength was given by the mixture with the highest proportion of lignin and the longest drying time.

The conclusion is that the material might be useful, but that the correct area of use should be determined, as the material cannot withstand excessive loads.

Innehåll

1 Inledning... 6 1.1 Bakgrund ... 6 1.2 Syfte ... 6 1.3 Avgränsning ... 6 2 Metodik... 7 2.1 Litteraturstudie ... 7 2.2 Laborativt arbete ... 7 2.2.1 Material ... 7

2.2.2 Extruderings- och utvärderingsmetoder ... 8

3. Litteraturstudie ... 11 3.1 3D-printingens framväxt ... 12 3.2 3D-printing i byggbranschen ... 12 3.2.1 Använda material ... 13 3.3 Trä som material ... 14 3.3.1 Träets uppbyggnad ... 14 3.3.2 Lignin ... 15

3.3.3 Mekaniska egenskaper hos trä och virke. ... 15

3.4 3D-printing med träbaserat material... 16

3.4.1 Studie A: 3D printing med sågspån och metylcellulosa upplöst i vatten. ... 16

3.4.2 Studie B: Användning av träpulver och lim som en blandning för 3D-utskrift. ... 17

3.4.3 Studie C: Tillverkning av 3D-utskrivbart träfilament av träavfall och PLA-plast. ... 18

3.4.4 Studie D: Effekter av lignin och cellulosa som additiv vid pelletering av träpellets. ... 19

3.4.5 Sammanställning av tidigare studier ... 20

4 Resultat av laborativt arbete ... 21

4.1 Framtagande av blandningar ... 21

4.2 Formning och krympning ... 21

4.3 Draghållfasthet ... 23

4.4 Tryckhållfasthet ... 23

4.5 Lagrens sammanbindning ... 23

5 Diskussion... 23

5.1 Förslag till fortsatta studier... 25

6 Slutsats ... 25

Referenser ... 26

6

1 Inledning

I detta första kapitel ges en bakgrund till det studerade området, samt en beskrivning av studien som har genomförts.

1.1 Bakgrund

År 2018 trädde en klimatlag i kraft i Sverige, vilken bland annat ska säkerställa att den politik som regeringen för ska utgå från klimatmålen. Ett av dessa klimatmål är att Sverige senast år 2045 inte ska ha några nettoutsläpp av växthusgaser till atmosfären, vilket i siffror innebär en minskning av utsläppen med åtminstone 85% jämfört med år 1990. Ett år efter införandet av lagen utgav det klimatpolitiska rådet en rapport som studerade hur väl klimatmålen gick överens med politiken och det visade sig att det behövs en skärpt lagstiftning för att Sverige ska ha en chans att nå upp till klimatmålen [1].

Av Sveriges utsläpp av växthusgaser står bygg- och fastighetssektorn för en dryg femtedel. I genomsnitt släppte denna sektor ut drygt 18 miljoner ton koldioxidekvivalenter per år i Sverige mellan 2008 och 2018 [2]. En stor del av minskningen kommer alltså behöva ske i en och samma bransch. När det gäller produktionen är en faktor som bidrar till koldioxidutsläpp användningen av betong, där cementen den innehåller står för ungefär 90%. Globalt står cementtillverkningen för ungefär 7 - 8% av koldioxidutsläppen [3], så en minskning av användningen skulle ge en produktion som är bättre för klimatet. Ett annat problem i

byggbranschen är spill, där byggindustrins restavfall står för 35% av den globala totalmängden [4]. Även träanvändning är något som ger mycket spill. Exempelvis hade USA år 2013 mer än 42 miljoner ton träspill bara på sina byggarbetsplatser. Utöver detta tillkommer det spill som uppkommer i fabriker, vid tillverkning av brädor, möbler och så vidare. En del av detta återanvänds till produkter som plywood och en del till bränsle. Att finna nya

användningsområden för exempelvis sågspån är dock något som lockar företag, då detta kan leda till varor som kan produceras utan att ytterligare träd behöver fällas [5].

3D-printing ses som en möjlig väg till hållbart byggande. Det är en av de snabbast växande teknikerna idag och den har letat sig in även i byggsektorn. Metoden anses lovande inom byggproduktion, bland annat för att det visat sig att den kan reducera materialspillet med 30 - 60 % [6]. Till viss del används tekniken redan idag för byggnadstillverkning, då främst med betong. För att göra tekniken mer miljövänlig skulle dock materialet man använder behöva ses över. Då trä är en förnybar resurs, som dessutom anses vara klimatneutral, är detta ett material som är intressant för byggsektorn [7].

1.2 Syfte

Syftet med detta arbete är att beskriva nuvarande kunskap rörande 3D-printing med träbaserad massa, samt att studera resultat för användande av massa med sågspån och lignin som bindemedel gällande dimensionsstabilitet, hållfasthet och vidhäftning mellan lager, samt att undersöka möjligheten till att använda denna massa i 3D-printing.

1.3 Avgränsning

Studien avgränsas till att endast studera träbaserad 3D-printing. De extruderade massor som framtagits i studiens laborativa experiment utvärderas endast i dimensionsstabilitet, hållfasthet,

samt vidhäftning. Ingen hänsyn tas till ekonomi eller klimatpåverkan.

2 Metodik

I arbetet används en kombination av litteratursökning och laborativa experiment. Litteratursökningen används både för att undersöka tidigare genomförda studier, samt som inspiration för de ingredienser och proportioner som används i de laborativa experimenten. De laborativa delarna syftar till att ge en uppfattning om hur materialet som tas fram under de laborativa momenten fungerar och beter sig under olika förhållanden.

2.1 Litteraturstudie

Inledningsvis gjordes en förstudie om materialet trä och dess egenskaper och

användningsområden. Därefter granskades tidigare rapporter och examensarbeten av relevans för detta arbete. Digitala Vetenskapliga Arkivet, DIVA, har använts till detta och sökningarna har gjorts med nyckelord som exempelvis: additive manufacturing, sawdust, trä, 3dp, 3D- printing, additiv tillverkning, wood-based material, lignin, cellulosa och metylcellulosa. Resultatet av denna studie presenteras i kapitel 3.

2.2 Laborativt arbete

Studien har experimentellt undersökt vilket resultat som kunde nås vid extrudering av massa bestående av träspån, vatten och lignin. De olika proverna torkades i ugnen i 120 grader, detta för att ligninets bindningsstyrka ökar då det kommer upp i högre temperaturer, ungefär 100 - 140 grader, beroende på typ av lignin [8].

Resultatet har utvärderats utifrån draghållfasthet, tryckhållfasthet och dimensionsstabilitet på balkar gjutna i form, samt vidhäftning på extruderade strängar. Delar i form av munstycken, formar och behållare som behövdes för att kunna genomföra testerna designades i CAD- programmet Creo Parametrics. Med hjälp av programmet Ultimaker Cura förbereddes filerna för utskrift, vilka sedan genomfördes i 3D-skrivaren Ultimaker 2+.

2.2.1 Material

För att kunna transportera massan genom 3D-skrivarens olika delar, från pumpar eller behållaren till munstycket, krävs det att massan måste vara tillräcklig mjuk, så att materialet kan pressas ut ur ett munstycke [9]. Därför testades olika blandningar inför laborationsförsöket. Granspån från ett lokalt snickeri har använts. Sågspånen maldes och siktades sedan i en 0,5 mm-sikt. De spån som använts är således upp till 0,5 mm stora. Ligninet som använts till blandningarna har erhållits från PEAB Asfalt. Just detta lignin är en restprodukt från pappersmassaframställning och används av PEAB som ersättning för en del av det fossila bituminet. Det blandas kallt ned i asfalten som håller 140 grader [10].

Vattnet värmdes till kokning, för att sedan blandas med ligninet. Att vattnet värmdes gav ligninet möjlighet att mjukas upp och underlättade blandningen samt extruderingsprocessen. Vattenlignin-blandningen blandades sedan med träpulvret till en formbar massa med hjälp av en elvisp under några minuter för att säkerställa en noggrann blandning.

8

Olika proportioner av de olika ingredienserna testades till önskad konsistens uppnåddes, se tabell 1. Först testades en blandning med hög halt spån, T1. Därefter testades blandningar med lägre andel trä och högre andel vatten- och lignin. Slutligen valdes blandningarna B1, B2 och B3 att fortsätta arbeta med i det laborativa arbetet, där samtliga parametrar utom ligninhalten var identiska.

Tabell 1. Testblandningar T1-T3, samt blandningarna som studerades, B1-B3. Blandning Lignin (g) Vatten (g) Sågspån (g)

T1 10 40 60 T2 15 50 50 T3 20 60 30 B1 40 80 12 B2 50 80 12 B3 60 80 12

2.2.2 Extruderings- och utvärderingsmetoder

Under extruderingsförsöken har liknande förhållanden eftersträvats. Två olika extruderingssätt har testats och därefter har proverna efterbehandlats med värme för att få ligninet att reagera. För att extrudera massan och se hur lämplig den är för additiv tillverkning konstruerades först en anordning bestående av ett metallrör med en stor skruv i. Massan kunde matas in genom ett existerande hål på sidan av röret och skruvens rotation pressar då massan ned till rörets öppning längst ned. För att underlätta inmatningen tillverkades en tratt som möjliggjorde inmatning uppifrån istället för från sidan, samt ett munstycke till utloppet, se figur 1. Med hjälp av ett bakstycke samt skruvar spändes tratten fast på röret. I underkant av röret skruvades munstycket fast.

Figur 1. Tratt (vänster) och munstycke (höger) till första extruderingsförsöket.

Detta rör med skruv för extrudering monterades sedan på en ställning enligt figur 2 för att möjliggöra att alla test genomfördes på liknande sätt. För att få liknande förutsättningar under alla extruderingar låstes skruvdragarens hastighet.

Figur 2. Egengjord anordning för extrudering, första försöket.

Även en köttkvarn användes för extrudering, se figur 3. Denna fungerade på likvärdigt sätt, men denna hade större diameter på röret (60 mm), samt en större skruv inuti. Massan testades först med köttkvarnens ordinarie utrustning, därefter designades och skrevs ett munstycke ut med mynning på 16 mm till kvarnen, se bilaga 1. Kvarnen sattes fast på en bräda som i sin tur klämdes av ett bänkskruvstycke. Upptill anslöts en skruvdragare istället för den handvev som kvarnen egentligen är utrustad med. Metallplattorna som massan pressats ut på drogs för hand och för att säkerställa en konstant lagerhöjd justerades avståndet mellan kvarnen och plattan till 8 mm, alltså 50% av mynningens diameter. Detta val grundades på att lagerhöjden vid vanlig 3D-printing bör vara mellan 25-75% av munstyckets diameter för att kunna uppnå bra utskriftskvalitet [11].

10

För att testa hur väl lagren binder samman skrevs två lager ut på varandra, vardera med lagerhöjd 8 mm och längd 150 mm. på en metallplatta som insattes i ugnen 2 timmar för torkning. För att kontrollera hur väl lagren bands samman analyserades proverna både för hand och med mikroskop, som figur 4 nedan visar. Genom att titta på en förstorad

genomskärning/snitt av provbitarna i mikroskop kunde lagrens sammanbindning synliggöras. Mikroskopen anslöts till en dator, vilket gav möjlighet att både se bilden direkt på

datorskärmen, samt spara bilden i datorn.

Figur 4. Analys av lagrens sammanbindning med hjälp av mikroskop.

Formar tillverkades för att kunna gjuta stycken att testa både drag- och tryckhållfasthet på. Formarna för draghållfasthet gavs ett invändigt mått på 6x12 cm, med en höjd på 8 mm. Först göts 6 st plattor av blandningen B2, se figur 5. Detta med syfte att prova en av blandningarna först för att kontrollera om de gjutna föremålen klarar dragkraft. Därefter insattes plattorna i ugnen vid en temperatur på 120 grader med olika torkningstider, 90, 120 och 150 minuter, och efter torkningen kontrollerades draghållfastheten för dessa plattor.

Figur 5. Provstycken av blandning B2 för draghållfasthetstest.

Samma princip användes för att gjuta proverna till tryckhållfasthet-testerna. Gjutformarna designades till kuber med 30 mm invändig sidlängd. Kuberna tillverkades på en metallplatta som direkt insattes i ugnen med samma variation på torkningstider som för de rektangulära plattorna, 90, 120 och 150 minuter. Totalt göts 27 stycken kuber, 3 st per torktid av varje blandning, B1, B2 och B3, se figur 6. Medelvärdet av höjden samt bredden togs för varje

testserie innan samt efter torkningen för att kontrollera dimensionsstabiliteten. Dessa värden presenteras i kapitel 4.

Figur 6. Kuber för tryckhållfasthetstest.

För drag samt tryckhållfasthetsproverna användes en dragprovare kopplad till en dator, se figur 2. De gjutna föremålen dras respektive komprimeras tills de rivs isär eller trycks sönder. Belastningshastigheten sattes till 1 mm/min. Ett resultat i form av en kurva ritas automatiskt ut med hjälp av en datorprogramvara som visar vilken belastning proverna klarar av i N. Även en tabell för resultaten för olika testserier.

Figur 7. Dragprovare för kontroll av drag- och tryckhållfasthet.

Totalt gjordes 9 testserier, där varje blandning delades upp i tre grupper, en för varje

torkningstid. Medelvärdet av tryckhållfastheten för varje testserie räknades sedan om från N till MPa enligt formel (1), där P är tryck (MPa), F är tryckkraft (N) och A är den tryckta ytan (mm2_{). Värdena går att finna i bilaga 2.}

P = F/A (1)

3. Litteraturstudie

Detta kapitel ämnar att ge läsaren en bakgrund till 3D-printingens historia, tillämpningen av 3D- printing inom byggsektorn, samt vilka material som används. I avsnittet Trä som material beskrivs materialet trä och dess egenskaper mer ingående. Ett eget avsnitt dedikeras till en

12

genomgång av några av de studier som genomförts med 3D-printing av träbaserade material de senaste åren, detta för att ge en bild av hur långt utvecklingen har kommit.

3.1 3D-printingens framväxt

Redan på tidigt 1980-tal utvecklades material och utrustning för 3D-printing och år 1983 beviljades det första patentet på området. Patentet beviljades den amerikanska entreprenören William Masters och det gällde hans uppfinning CAMPS (Computer automated manufacturing process and system) [13], en datorautomatiserad tillverkningsmetod som med hjälp av en datafil innehållande en modell av en tredimensionell produkt tillverkar en likadan med hjälp av rörliga munstycken, via vilka en massa matas ut [14]. Detta var det första dokumenterade patentet inom 3D-printing och det tillsammans med ytterligare två patent av samma uppfinnare utgör hälften av de 6 patent som banat väg för 3D-printingen som används idag. Det dröjde dock innan tekniken kom att användas i en större skala, detta både då det fanns diskussioner gällande vilka standarder som skulle styra teknologin, samt för att industrin var tveksam att införa en så pass komplex teknik, som heller inte passade in i de processer de då använde [13].

De första tio åren föddes flera företag som senare skulle bli stora namn inom 3D-printing, men inte förrän 2009, när patentet för FDM (Fused Deposition Modeling) löpte ut, blev det en mer allmänt spridd teknik. FDM är den minst avancerade 3D-printingstekniken och går ut på att plastfilament smälts för att sedan extruderas, lager för lager, till önskad form. Då tekniken var så pass simpel och billig att efterlikna var det många som väntade på patentets utgång, så att de kunde utveckla sin egen version av tekniken.

År 2014 gick ytterligare två patent ut för två andra former av 3D-printing, vilket ledde till ytterligare innovation och ännu billigare 3D-skrivare. 3D-printing har gått från att vara en teknikföretagen inte vågar implementera till att vara en teknik vars marknad fullkomligt har exploderat. Från att tillverka små plastdetaljer tillverkas nu hela husstommar, utskrivna i exempelvis betong [15].

3.2 3D-printing i byggbranschen

Inte förrän år 2014 började 3D-printing användas för byggnadsändamål, men därefter har utvecklingen gått snabbt framåt. Några av de fördelar som ses med tekniken är att den kan användas för tillverkning av mer komplexa byggnader, samt att den reducerar både restavfall, byggtid, samt behov av antal arbetare och därmed också kostnader. Även vid restaurering ses fördelarna, då 3D-scanners kan användas för att skapa en virtuell modell av den del som ska reproduceras. Denna kan sedan skrivas ut med hjälp av en 3D-skrivare [16].

Det första huset som 3D-printades var endast 8m2 _{och printades i Nederländerna. Anledningen}

till att detta hus skrevs ut var för att de ansvariga arkitekterna, Dus Architechts, ville visa de fördelar printing har, för att på så sätt få in tekniken i byggsektorn. Samma år 3D-printades bostadshus i Kina, vars delar skrevs ut på fabrik, för att sedan monteras på plats [16].

En rapport visar att tillämpningar inom arkitektur stod för 3% av den totala 3D-

printingsindustrin år 2017 och sedan dess har intresset och antalet satsningar på 3D-printad byggnation ökat [16]. År 2018 flyttade den första familjen in i ett 3D-printat hus i Nantes, Frankrike, ett hus på 95 m2 _{med fyra sovrum. Husets väggar skrev ut på plats och består av två}

skrivare. Efter att väggarna var färdigutskrivna monterades tak, fönster och dörrar för hand [17]. Dimensionerna på husen växer stadigt och den hittills största 3D-utskrivna byggnaden färdigställdes år 2019 i Dubai, ett tvåvånings kontorshus med total golvyta på 640 m2 _[18].

Användningsområdena och intresset för de 3D-printade byggnaderna breddas ständigt. Designern till kontorshuset i Dubai, Yves Béhar, arbetar med ett projekt i Mexiko, där de uppför världens första 3D-printade by [18], medan det på Madagaskar pågår ett pilotprojekt för uppförande av en 3D-utskriven skola. Detta projekt har som mål att råda bot på att ett så stort antal barn och ungdomar inte har någon skola att gå till. Slutligen vill de ge

lokalbefolkningen möjlighet och kunskap att kunna skriva ut ännu fler skolor [19].

Den största satsningen inom 3D-printing hittills står Förenade Arabemiraten för, med sin “Dubai 3D Printing Strategy”, där huvudmålet är att 25% av all nyproduktion av byggnader i Dubai år 2030 ska vara baserad på 3D-printing [20].

3.2.1 Använda material

En av de viktigaste förutsättningarna för en lyckad utskrift är materialet och dess konsistens. Det finns många olika material som används till 3D-printing idag, men de som tas upp här är de material som används eller studeras för byggändamål. Vanligt är då att använda cementbaserade blandningar, vilka innehåller samma material som den konventionella betongen. Med anledning av att de processer materialet för 3D-printing behöver genomgå skiljer sig från konventionell gjutning skiljer sig dock proportionerna av ballast och bindemedel [21]. Kubhållfastheten hos betongen vid 28 dagars ålder ligger normalt mellan 16 - 80 MPa.[22] baserad på tryckprovning av en kub med sidlängd på 150 mm. [23]

Det finns dock företag som väljer att leta efter mer innovativa lösningar. Vissa väljer att dryga ut betongblandningen med byggavfall. Andra väljer att istället för betong använda bioplast, som exempelvis tidigare nämnda Dus Architects, arkitekterna bakom den första 3D-printade byggnaden [16]. Ett företag som satsar på miljövänliga material till 3D-printing är det italienska företaget WASP. År 2018 färdigställde de projekt Gaia, ett 3D-printat hus tillverkat av jord direkt från byggplatsen (25%), hydraulisk kalk (10%), samt avfall från risproduktion; 40% hackade strån och 25% risskrov [24]. 2020 kom uppgraderingen Tecla, vars sammansättning liknar den från Gaia, med några små förändringar. Jord från byggplatsen, lera, fiber från risskrov samt bindemedel, som dock utgjorde mindre än 5% av blandningen. Tack vare sin byggnadsdesign och sitt avancerade system för bland annat materialblandning hävdar WASP att huset kan skrivas ut i olika klimat och med den sammansättning av jord som finns på just den platsen [25].

Även trä kan nämnas bland materialen, men det är dock ett material som ännu inte kommit så långt i testfasen, åtminstone inte när det handlar om att blanda det med andra nedbrytbara och biobaserade material. Sveriges Forskningsinstitut RISE lyckades dock år 2018 att skriva ut en större vas gjord av 85% trämjöl, ett projekt i samarbete med tidigare nämnda WASP. Tanken är att kunna vidareutveckla tekniken för att senare kunna ta tillvara på delar från träden som vanligtvis inte används på ett effektivt vis, som exempelvis grenar och rötter [26].

14

3.3 Trä som material

För att kunna använda trä i byggbranschen, är det nödvändigt att veta hur detta material är uppbyggt och vilka mekaniska egenskaper det har, samt vilka parametrar som påverkar materialets hållfasthet och styvhet. Trä används framför allt vid byggnation av hus och olika konstruktioner, till exempel vid tillverkning av takstolar, bjälklag, bärande och icke bärande väggar, dörrar och fönster osv. Materialet används även vid tillverkning av bland annat möbler och papper i olika slag [27].

3.3.1 Träets uppbyggnad

Trä är skapat genom bearbetning av träd. Trädstammen tar en rund form under sin tillväxt, detta för att kunna optimera träet och öka motståndet mot vindlaster. Stammen i tvärsnitt består av märg, kärnved, splintved, kambium och bark, som figur 8 visar nedan. I kärnveden lagras ämnen som skyddar trädet mot biologiska angrepp och i splintveden transporteras vätskan uppåt och neråt i trädet.

Figur 8. Stammens uppbyggnad i ett tvärsnitt.

Det växande trädet bildar nya celler mellan veden och barken, i lagret kallat kambium. Vårved bildas av tunna cellväggar, och stora cellhålrum under vårperioden så att vattnet och

näringsämnen, som kommer in genom små öppningar på sidorna om vedcellerna, kan

transporteras uppåt och neråt i trädet. Däremot under sommar- och höstperioden bildas celler med tjockare cellväggar och mindre cellhålrum, detta för att öka motståndet mot vindlasten och yttre laster [28]

Celltyperna varierar beroende på vilket träslag som undersöks. Den vanligaste celltypen är trakeider och kallas vanligtvis för fibrer som är orienterade i trädets längdriktning och tar ungefär 90 % av träets vedvolym. De har en medellängd på 2 - 4 mm och mäter ca 0,1 mm i diameter. De längsta fibrerna som lever med möjlighet att bilda nya celler befinner sig intill yttersta skiktet, barken: Ju närmare märgen man kommer, desto kortare blir fibrerna [28]. Trä är uppbyggt av tre huvudsakliga ämnen; kol, väte och syre, detta i form av cellulosa, lignin och hemicellulosa. För barrträd i Norden utgör cellulosa ca 40 - 50% av trädet, lignin 25 - 35% och hemicellulosa 25 - 30%. [28] Cellulosamolekylerna är uppbyggda av glukosenheter och de samlas i rörform, vilka formar tåliga mikrofibrer. Mikrofibrerna fungerar som skelettmaterial i cellväggarna. Utrymmet mellan dessa är fyllt med hemicellulosa och lignin, vilka fungerar som bindemedel, som figur 9 visar [29].

Figur 9. Strukturen hos cellulosa, hemicellulosa och lignin i växtceller. 3.3.2 Lignin

Lignin är en av de huvudsakliga polymerer som bildar växternas stödstruktur tillsammans med cellulosa och hemicellulosa. Det är en typ av termoplastisk polymer, som har hög hållfasthet och värmebeständighet, liknande teknisk plast [30]. Liksom plast mjuknar ligninet vid en viss temperatur, kallad glastemperatur. Detta sker vid ungefär 100°C - 140°C, men kan variera något beroende på ligninets fukthalt. Att värma ligninet så att det mjuknar leder till högre

bindningsstyrka då materialet svalnat igen [8]. Ligninet består av aromatiska alkoholer som kallas monolignoler [31] och fungerar som ett lim som binder ihop cellulosafibrerna i veden. Det ger trädstammen både form och stadga. Ligninet transporterar även vatten och

näringsämnen i trädet, samt skapar ett skydd för att förhindra kemiska eller biologiska attacker [32].

Ligninhalten i träden varierar beroende på olika faktorer, där träålder är den viktigaste faktorn, men även tillväxt och träslag är av betydelse. I barrved är genomsnittliga halten ungefär 28% av träets vikt, medan den i lövträ endast är ungefär 24% [31]. Varje år producerar världens

pappersindustri ungefär 50 miljoner ton lignin. Lignin inverkar negativt på papperskvaliteten och extraheras genom en kokningsprocess. Lignin ses som en biprodukt och av de ton som produceras förbränns ungefär 98% [33]. Lignin används bland annat vid tillverkning av träfiberskivor, och har som funktion att under högt tryck och hög temperatur binda samman fibrerna till en skiva [34].

3.3.3 Mekaniska egenskaper hos trä och virke.

Egenskaperna hos träd varierar, bland annat beroende på vilket träslag som studeras. Egenskaperna kan även variera inom samma träd [35]. Generellt gäller dock att specifika träslag lämpar sig bättre till vissa saker. Exempelvis är gran det träslag som oftast används till konstruktionsvirke i Sverige, medan furu ofta används till exempelvis

snickeridetaljer, golv och möbler [27].

När det gäller träets styrka och styvhet kommer ytterligare några faktorer att påverka träets hållfasthet. Kvistar till exempel har negativa effekter på de mekaniska egenskaperna. När trädet skördas påverkas hållfastheten i fiberriktningen, där fibrerna omkring kvisten är inte

kontinuerliga längre. Därför väljs sågat virke med färre och även mindre kvistar till bärande konstruktioner.[28].

16

En annan faktor som påverkar hållfastheten hos träet är förhållandet mellan

belastningsriktningen och fiberriktningen. Styrkan för trä i drag och tryck parallellt med fibrerna är mycket hög vid belastning av kvistfria provkroppar. Den ungefärliga

brottspänningen räknas till 100 MPa vid drag i fiberriktningen, och omkring 80 MPa när det gäller tryckhållfastheten vid tryck parallellt med fiberriktningen. Hållfastheten vid drag och tryck vinkelrätt mot fiberriktningen är dock mycket lägre [28]

Styrkan hos träet påverkas även av andra faktorer, bland annat fuktinnehållet. Ju torrare trä, desto styvare är det och därmed är alltså hållfastheten högre. Tryckhållfastheten blir för större virkestycken mycket lägre vid högre fuktinnehåll, medan draghållfastheten påverkas i mindre grad.[28] Belastningstiden och ökande temperatur påverkar också styvheten negativt i längden. Deformationer kan uppstå på grund av minskad böjhållfasthet om träet belastas under en längre tid med en konstant last. [35] För temperaturen över 95 grader Celsius kan nedbrytning av trämaterialet ske, vilket leder till minskad hållfasthet [28].

3.4 3D-printing med träbaserat material

I detta kapitel beskrivs hur långt utvecklingen har kommit inom 3D-printing när det gäller användning av trämaterial. Resultat från olika experiment A-D som genomförts av företag och forskare studerats. Det som tas upp är i första hand vilka material och recept som användes, torkningsmetoder och anledning till detta, samt vilka parametrar som påverkar vidhäftningen mellan träpulver och bindemedel.

3.4.1 Studie A: 3D printing med sågspån och metylcellulosa upplöst i vatten.

I en studie som utfördes på Technische Universität Dresden i Tyskland har en blandning av av små sågspånspartiklar, metylcellulosa (MC) och vatten blandats för att tillverka

tredimensionella fasta objekt från en digital modell [36]. Först maldes sågspånen till två olika partikelstorlekar, 0,25 mm (fraktion A) och 0,4 mm (fraktion B). Därefter lagrades sågspånen vid en temperatur på 22 grader Celsius vid relativ fuktighet 55%. Metylcellulosa i pulverform löstes upp i vattnet (förhållandet 1:20 eller 1:30) och då bildades en gelliknande massa. Den gelliknande massan blandades sedan med sågspån av olika partikelstorlekar. Tre olika blandningar förbereddes (M1, M2, M3), med olika andel vatten, samt partikelstorlek på sågspånen:

M1: MC / vatten 1:30, MC/träfraktion A (11:89 (89% sågspån)) M2: MC / vatten 1:20, MC/träfraktion B (15,5:84,5 (84,5% sågspån)) M3: MC / vatten 1:20, MC/ träfraktion A (14,4:85,5 (85,5% sågspån))

För att tillverka tredimensionella fasta objekt av de olika blandningarna i form av “torn” (se figur 10 nedan), användes en standard 3D-skrivare med egengjord extruder som består av en cylindrisk plastpatron (27 mm innerdiameter), munstycke (8 mm) som ett utlopp, och en stegmotor för att kunna driva ut massan mot utloppet. Utskriften utfördes med en hastighet på 1 mm/s. Därefter undersöktes föremålens dimensionsstabilitet genom att mäta upp tornens höjder två gånger; direkt efter utskrift, samt efter torkning (60°C, 5 dagar) och konditionering (20°C, 65% RF, 7 dagar).

Figur 10. Utskrift av böjprov (a) samt torn för mätning av dimensionsstabilitet (b) [36].

Efter torkningen hade blandningen som innehöll högsta andelen träpartiklar i torr massa fått den högsta dimensionsstabiliteten med 17,3 % höjdförlust på grund av fukt/vattenavgång. De

blandningar som har lägre andel trä hade 18% respektive 20% höjdförlust. Ju större vatteninnehåll i blandningen, desto större krympning efter torkningen.

Vidare kontrollerades genomsnittlig böjhållfasthet (MOR), elasticitetsmodul (MOE) och densitet för 3D-tryckta prover efter torkningen, värden som visas i tabell 1. Böjproven som testades hade samma proportioner som användes vid utskrift av torn (M1, M2, M3) fast med en utformning av strängar vardera 3 lager med 4 mm lagerhöjd, 20 cm långa och 1,8cm breda. Belastningshastighet sattes till 0,7 mm/min. Resultaten visas i tabell 2 nedan.

Tabell 2. Dimensionsstabilitet, genomsnittlig böjhållfasthet (MOR), elasticitetsmodul (MOE) och densitet för de 3D-tryckta proverna [36].

Genomsnittlig böjhållfastheten (MOR) varierade från 2,3 till 7,4 N/mm² och elasticitetsmodulen (MOE) från 284,8 till 733,1 N / mm². M1 är den blandning som har lägst andel

bindemedel/vatten och störst andel trä. Denna blandning fick de sämsta resultaten. M2 och M3 som har högre andel bindemedel/vatten, men lägre andel träinnehåll resulterade i högre

böjhållfasthet, högre elasticitetsmodul, samt högre densitet. M2 och M3 har liknande

proportioner av ingredienserna, med skillnaden att M3 har mindre partikelstorlek på träpulver. Denna enda skillnad ledde till ett högre värde på hållfasthetstesterna, samt högre densitet. 3.4.2 Studie B: Användning av träpulver och lim som en blandning för 3D-utskrift. I ett annat forskningsarbete som utfördes på Biotekniska fakulteten på Ljubljana universitet i Slovenien har olika förhållanden av träpulver som en komponent i limblandningar använts för att skriva ut tredimensionella fasta objekt i form av enkla block [37]. Blocken, med mått 150 × 30 × 8 mm, fick därefter böjhållfastheten kontrollerad. Materialen som användes i forskningen var träpulver av bokträ som framställdes genom malning, med en partikelstorlek på 0,237 mm, samt två olika typer av kommersiellt lim, polyvinylacetatlim (PVAc) och urea-formaldehydlim (UF) . Olika förhållanden mellan träpulver och lim testades, där träpulvrets innehåll varierade mellan 12.5 och 25% av den totala vikten.

18

Blocken skrevs ut i fyra lager, vardera 2 mm tjocka med hjälp av en hemgjord 3D-skrivare, där extrudern bestod av en fettpistol, ett 3 mm munstycke, en kolv och en behållare med

blandningen, där kolven installerades bakom materialet, och behållaren trycktes sedan med tryckluft (0,4 N / mm). Utskriften utfördes med en hastighet på 10 mm/s. De tryckta föremålen i form av enkla block fick härda på en värmeplatta med temperaturen 50°C under de första två timmarna efter tillverkningen, och lämnades sedan i en vecka i rumstemperatur för att stelna. Efter härdningen testades PVAc-blocken med träpulverinnehåll på 17,5 respektive 20%, samt UF-blocken med 15 respektive 17,5 viktprocents träpulver. Testerna gjordes med en universal testmaskin med 15 mm/min belastningshastighet, detta för att kunna bestämma den

genomsnittliga böjhållfastheten (MOR) och elasticitetsmodulen (MOE) hos blocken.

Under torkningen skedde krympning av de tryckta föremålen på grund av fukt/vattenavgång. Den högsta krympningen skedde i UF-blandningens fall med 22% höjdförlust, och med 17% i fallet med PVAc-blandningen. Böjhållfasthetstestet visade att böjhållfastheten och styvheten var mycket högre i fallet med UF-träpulver blandningen, där mängden träpulver hade ingen effekt på blandningen, möjligen för att UF-limmet själv hade en hög hållfasthet. I det andra fallet där PVAc-limmet blandas med träpulver var böjhållfastheten och styvheten mycket lägre, detta berodde på mängden träpulver innehåll i blandningen, ju mer träpulver innehåller PVAc- limblandningen, desto styvare blir den. se figur 11. Värden som visas i figuren är beroende på träpulverinnehåll.

Figur 11. Böjhållfasthet (MOR) och elasticitetsmodul (MOE) för 3D-tryckta block tillverkade av olika blandningar av träpulver och lim [37].

3.4.3 Studie C: Tillverkning av 3D-utskrivbart träfilament av träavfall och PLA-plast. I en forskningsstudie vid Michigan Technology University i Houghton har forskarna lyckats tillverka ett träfilament (WPC, wood-plastic-composite) för att sedan kunna använda det vid tillverkning av tredimensionella fasta objekt [38] med hjälp av 3D-skrivare efter modellering av de tryckta föremålen med datorprogrammet OpenSCAD.

Processen delas i fyra steg:

- Träavfallsmaterialet som innehöll fasta plattor och sågspån av MDF, LDF skivor och melamin malades till träpulver, därefter siktades det med en 80 mikron sikt.

- Träavfallspulvret tillsattes till PLA-pellets efter smältning. Pelletsen upphettades till 210 grader Celsius tills det smältes och kunde omröras. Träavfallspulvret tillsattes gradvis, därefter rördes båda materialen om till önskad konsistens och kvalitet uppnåddes. Svalningen skedde vid rumstemperatur där blandningen placerades på en metallyta, som användes som kylfläns. - Tillverkning av filament: WPC-filamentet tillverkades med hjälp av open-source recyclebot, som i normala fall används för att tillverka glödtråd för FFF 3-D-skrivare. Olika filament tillverkades vid 225 grader Celsius, med en träandel som varierade mellan 10 - 40 viktprocent. Filamentets diameter var 1,65 mm.

- Ett 3D-modelleringsprogram OpenSCAD användes för design av de önskade tredimensionella fasta objekten. Därefter skrevs WPC-filamentet ut med hjälp av en 3D-skrivare.

Utskriftsparametrarna visas i tabell 3.

Tabell 3. Utskriftsparametrarna som användes vid 3D-printing [38].

Studien visade att det är praktiskt möjligt att skriva ut tredimensionella fasta objekt med ett WPC- filament. Bland de detaljer som skrevs ut är ett dörrhandtag och ett testblock, dessa visas i figur 12 nedan. Blandningen som innehöll 30% träpulver bedömdes vara mest lovande och mest lättarbetad, medan blandningen med 40% inte gav samma möjlighet till upprepbarhet. 30%-blandningen gav framgång i tillverkningen av tredimensionella fasta objekt, med hänsyn till vätningsförmåga och tryckbarhet hos resulterande filamentet som tillverkades.

Figur 12. Dörrhandtag samt ett testblock tryckta med träfilament (30% träpulver) [38]. 3.4.4 Studie D: Effekter av lignin och cellulosa som additiv vid pelletering av träpellets. I en studie vid Karlstads Universitet har lignin och cellulosa använts som additiv vid pelletering av träpellets [8]. Där studerades vilka effekter olika halter av de träbaserade bindemedlen har på

20

pellets hållfasthet, densitet och fuktupptagningsförmåga vid olika matristemperaturer samt fukthalter.

Spånen som användes i pelleteringsprocessen var från olika träslag; granspån 260 g, björkspån 260 g och aspbark 160 g. I förbehandlingssteget innan pelleteringen, torkades råmaterialet och sedan maldes det med hjälp av en kvarn till storleken 2 mm. Därefter fuktades spånen till önskad fukthalt, eftersom fukten spelar en stor roll i pelleteringsprocessen och fungerar som bindemedel mellan träpartiklarna. Utöver fukten är den kemiska sammansättningen hos cellulosa och lignin en av parametrarna som påverkar egenskaperna hos pellets, samt matristemperaturen i råmaterialet, eftersom ligninet mjuknar vid högre temperaturer och därmed blir det lättare att pressa ihop och ökar bindningsstyrkan hos materialet när det sedan kyls ner. Hälften av proverna fick additivet lignin och hälften fick cellulosa. Andelen additiv varierade mellan 1, 2,5 och 4 % av totalvikten [8]. Massorna blandades sedan i en minut och förvarades därefter i påsar för att förhindra fuktavgången till omgivningen.

Därefter pelleterades 10 st pellets för varje testserie med hjälp av en enpetarpelletspress.

Pelletsen kyldes i 5 minuter och förvarades därefter i en stängd påse. Vikten på testmaterialet för samtliga testserier låg på 20 g (10 st pellets) där ett additiv var inblandat i olika mängder för varje testserie. Efter pelleteringen gjordes pelletstester för att mäta bland annat densiteten och hållfastheten/hårdheten.

Resultaten från hårdhetstesterna visade att ju högre ligninhalt blandningen innehåller, desto hårdare blir pelletserna när det gäller användning av råmaterial från gran och aspbark. Däremot påverkades inte pelletsen som var gjorda av björkspån vid tillsättning av lignin. Detta kan bero på användning av lägre fukthalt samt matristemperatur vid pelletering av blandningen. Den bestämdes vid framtagandet av fukthalt och matristemperatur för de olika råmaterialen. Detta gjorde att ligninet inte löstes upp vid produceringen av björkpellets. Utöver hårdhetstesterna har densitetstesterna visat att det högsta värdet uppnåddes vid 2,5 % tillsatt lignin för blandningar som inkluderade granspån och aspbark, däremot varierade densiteten i mindre grad för björkspånspellets vid olika andel lignin i blandningen [8].

Vidare visade studien att tillsättning av cellulosa inte hade någon påverkan på egenskaperna hos de pellets som var gjorda av björkspån och granspån. Däremot ökade hårdheten något vid producering av aspbarkpellets med 1% tillsatt cellulosa, vid samma fukthalter och

matristemperaturer som vid pelletering med lignin som tillsats. När det gäller variationen av densiteten vid tillsättning av olika halter cellulosa, har en ökning uppstått i liten grad vid producering av aspbark samt granspånspellets. Densitetsvariationen var ännu mindre hos björkspånspellets.

3.4.5 Sammanställning av tidigare studier

Tabell 4 redogör för de studier A-D som beskrivits i tidigare avsnitt för att ge en tydligare bild av vilka metoder som använts. ¨

Tabell 4. Sammanställning av studier.

Studie A Studie B Studie C Studie D

Material Sågspån, vatten Träpulver Träpulver Träspån/bark

Bindemedel Metylcellulosa Lim PLA-plast Lignin/celllulosa

Metod 3D-skrivare 3D-skrivare 3D-skrivare Pelletspress

Efterbehandling Torkas i 60°C, 5 dagar, sedan 20°C, 65% RF i 7 dagar Torkas i 50°C i 2h, sedan rumstemp en vecka Svalning i rumstemp Kylning 5 minuter

4 Resultat av laborativt arbete

Här redovisas resultaten av det laborativa arbetet som genomförts. 4.1 Framtagande av blandningar

Till en början testades blandningar med en stor andel träpulver T1, T2 och T3, men detta ledde till en mycket svårarbetad klumpig massa som inte kunde pressas ut varken med den egengjorda anordningen eller med köttkvarnen. Ligninhalten ökades och trähalten minskades och de tre massor som slutligen användes gick att både bearbeta och extrudera. Dessa blandningar bestod av:

B1: 80 g vatten, 40 g lignin, 12 g träpulver. (ca 30% lignin av totalvikten innan torkningen) B2: 80 g vatten, 50 g lignin, 12 g träpulver. (ca 35% lignin av totalvikten innan torkningen) B3: 80 g vatten, 60 g lignin, 12 g träpulver. (ca 39% lignin av totalvikten innan torkningen) Då proverna hade torkats vägdes de och då provernas viktreducering motsvarade ungefär vattnets viktprocent antogs allt vatten ha avdunstat under torkningen. Andelen lignin i viktprocent för de färdiga föremålen beräknats med hjälp av detta antagande till 77% i B1, 81% i B2 samt 83% i B3.

4.2 Formning och krympning

Vid tillverkningen av de olika provstyckena i form av strängar uppstod problem vid användning av anordningen byggd av ett metallrör med skruv och ett 10 mm munstycke. Massan fastnade i munstycket, vilket ledde till att endast vatten pressades ut. Kvar i röret blev en hårt

sammanpressad torr massa. Ett test gjordes utan munstycke, men detta gav liknande resultat. Av denna anledning testades istället en köttkvarn, vilken lyckades bra att pressa ut massan. Denna anordning användes sedan till all extrudering. Strängar som pressades ut av respektive blandning visas i figur 13. Blandning B1 gav upphov till en väldigt vattnig extrudering, medan B2 och B3 gav en fastare sammanhängande massa som höll formen vid extruderingen.

22

Figur 13. Föremålen som pressats ut med köttkvarn.

De kuber som tillverkades av B1 höll inte formen efter att formen avlägsnats. B2 och B3 däremot höll formen bra med undantag för något enstaka exemplar som minskat någon millimeter i höjd. B1 gav kuber som i genomsnitt ökat ut 5 mm i basens bredd och minskat 5 mm på höjden. Utöver detta gav torkningen upphov till viss krympning i höjden samt bredden, där längre tid i ugnen ledde till större krympning. Medelvärden för mätning av

dimensionsstabilitet visas i tabell 5. För samtliga kubers uppmätta värden, se bilaga 3. Tabell 5. Medelvärden för dimensionsstabilitet och tryckhållfasthet.

Blandning Torkningstid (min) Antal (st) Dimensionsstabilitet (mm) Krympning (%) Höjd/Bredd Genomsnittlig tryckhållfasthet (MPa) Innan torkning Höjd/Bredd Efter torkning Höjd/Bredd B1 90 3 25/35 22,3/33,3 10,8/4,8 1,7 120 3 25/35 20,9/31,1 16,4/11 2,2 150 3 25/35 20,4/30,7 18,3/12,4 2,4 B2 90 3 30/30 24,3/29 18,9/3,3 3,7 120 3 30/30 24,2/28,6 19,2/4,6 5,8 150 3 30/30 23,9/26,7 20,2/11,1 7,0 B3 90 3 30/30 25,9/29 13,6/3,3 4,9 120 3 30/30 24,4/27,4 18,7/8,6 7,0 150 3 30/30 24,2/27,2 19,4/9,4 7,2

4.3 Draghållfasthet

Dragprov gjordes endast på blandningen med 50 gram lignin (B2). Detta test visade att materialet har väldigt låg draghållfasthet och de övriga två blandningarna testades därför inte. Materialet gick sönder vid en så låg belastning att maskinen inte hann registrera kraften. 4.4 Tryckhållfasthet

Testen visade att en större andel lignin och längre torkningstid i ugnen gav en högre

tryckhållfasthet på kuberna, medelvärdet av varje testserie kan ses i tabell 5. Tryckhållfastheten varierade mellan 1,7 och 7,2 MPa. Fallet med störst andel lignin, B3, samt längst tid i ugnen gav bäst resultat med en genomsnittlig tryckhållfasthet på 7,2 MPa. Testet med lägst andel lignin och kortast torkningstid fick lägst tryckhållfasthet. Se bilaga 2 för samtliga kubers tryckhållfasthetsvärden.

4.5 Lagrens sammanbindning

Att dra isär strängarnas lager för hand var nästan omöjligt, detta eftersom lagren och fibrerna bands samman och bildade ett homogent skikt. I figur 14 visas genomskärningar på de tre strängar som extruderades. Det är mycket svårt att skilja mellan de två lagren som skrevs ut på varandra bara genom att titta på bilderna. Lagren bildade en homogen porös produkt.

Figur 14. Mikroskopbild av genomskärningar på de tre strängar som extruderades.

5 Diskussion

Något för sent insåg vi att just detta lignin vanligtvis blandas ner i 140 grader varm massa, medan denna studie använde 120 grader, som ett genomsnitt av ligninets glastemperatur, vilken vanligtvis är 100 - 140 grader. Att finna ett sätt blanda ned ligninet i en varmare blandning var dock svårt och därför valdes denna enklare variant. Både en högre ugnstemperatur, samt en varmare massa att blanda ner ligninet till hade kunnat ge annorlunda resultat, kanske mer hållfasta, kanske även utan torkning i ugn. Att proverna lades i ugnen var främst för att värma upp ligninet, inte för att torka ut det. För att hålla ned antalet tester fixerades vattenmängden, men en mindre mängd vatten på blandning B1 hade kunnat ge en massa som flöt ut mindre vid extrudering.

24

Den första egengjorda anordningen för extrudering fungerade inte. Anledningen till detta skulle kunna vara antingen att avståndet mellan skruvens gängor var för litet, eller att diametern på munstycket som tillverkades för denna anordning var för liten, vilket gjorde att massan inte kunde drivas fram och därmed fastnade i röret. Den andra anordningen, med större rördiameter och munstycke, fungerade däremot, vilket tyder på att tekniken fungerar, men att

förutsättningarna behöver anpassas. I denna studies laborativa arbete användes ett träpulver med större partikelstorlek än det träpulver som användes i de tidigare studierna som presenterats. Mindre partikelstorlek bör således kunna vara en väg till en bättre extruderingsförmåga och därmed ett bättre resultat.

Utifrån resultatet av litteraturstudierna valdes lignin som bindemedel i blandningen. Som studie D konstaterade ledde en högre ligninhalt till hårdare material vid tillverkning av

granspånspellets. Visionen med detta arbete var att kunna ersätta de cementbaserade material som ofta används idag vid 3D-printing av hus med ett träbaserat material för att uppnå en process med lägre koldioxidutsläpp. Utifrån resultatet av det laborativa arbetet kan det

konstateras att det skulle vara svårt att bygga ett hus av det testade materialet. Detta bland annat på grund av den höga temperaturen som ligninet behöver komma upp i för att kunna bli starkare. De värden som testerna av drag- och tryckhållfasthet gav var heller inte särskilt höga. För att bestämma lämpligt användningsområde för materialet som undersökts i vår laborativa studie bör fler studier göras på materialet, men användningsområdet bör lämpligen begränsas till objekt som inte tar några större laster, som exempelvis mindre inredningsdetaljer.

Undersökningen av tidigare studier inom området visade att ligninet inte hade testats i kombinationen med 3D-skrivare, och varken drag- eller tryckhållfasthetstester gjordes på de studerade objekten. Även torkningsmetoderna skilde sig åt i studierna. Då inget

böjhållfasthetstest genomfördes i denna studie är det svårt att jämföra resultaten av det laborativa arbetet med de presenterade studierna gällande hållfasthetsvärden och bärförmåga. Resultaten från dimensionsstabilitetstesterna visade att höjdförlusten vid användning av metylcellulosa i kombination med träpulver varierade från 17,3 - 20% beroende på vattenhalt i blandningen, Ju större vatteninnehåll, desto större krympning efter torkningen. Högre andel trä gav bättre dimensionsstabilitet, medan högre andel vatten och mindre spånstorlek gav bättre hållfasthet. Vidare har resultaten från studien “Användning av träpulver och lim som en blandning” visat någon mindre höjdförlust (17%) i fallet med PVAc-lim, och 22% i andra blandningen med UF-lim efter torkningen. Höjdförlusten hos de testade objekten i denna studie varierade mellan 10,8 - 20 %. Denna variation berodde främst på olika torkningstider i ugnen; 90, 120 och 150 minuter. Ju längre tid i ugnen, desto större krympning.

Mer lovande var extruderingsresultaten, samt testet av vidhäftning.

I de första tre undersökta studierna har tredimensionella objekt kunnat tillverkas, med hjälp av bindemedlen metylcellulosa, lim respektive PLA-plast. I denna studie tillverkades inga liknande tredimensionella objekt.

Strängarna som pressades ut fick ojämna ytor samt dimensioner, detta kan vara på grund av tekniken som användes för att kunna flytta på den underliggande metalplattan. Plattan drogs för hand vilket medförde en variation i hastigheten, vilket i sin tur orsakade att massan som

pressades ut fick en ojämn utformning. Detta syns i figur 13. Ett alternativ för att lösa detta problem kan vara att modifiera utskriftstekniken. Den underliggande plattan skulle kunna bytas mot en byggplatta med underlag som rör sig med en konstant hastighet. Ett annat alternativ är att använda den vanliga utskriftsmetoden för en 3D-skrivare, där skrivararmen kan röra sig i x- och y-led, medan plattan rör sig i z-led med hjälp av ett datorprogram. Detta för att säkerställa den önskade utformningen på objekten efter modelleringen.

5.1 Förslag till fortsatta studier

Ett förslag till möjligt undersökningsområde är att studera materialets slutliga hållfasthet vid nedblandning av lignin i en betydligt varmare massa, samt torkning i varmare temperatur. Även att undersöka hur fuktupptagningen i tryckta föremål av detta material varierar med olika halt tillsatt lignin kan vara av intresse. Vidare kan ytterligare hållfasthetstester göras på materialet såsom böjhållfasthet. För att kunna jämföra hållfastheten hos det framtagna materialet i denna studie med betong kan dess kubhållfasthet testas. Detta då med en kub med 150 mm sidlängd, vilket är den storlek på kub som vanligtvis används för att bestämma kubhållfasthet hos betong.

6 Slutsats

Denna studie har experimenterat med möjligheten att 3D-printa med hjälp av en träbaserad massa, då de flesta material som används till 3D-printing idag inte är särskilt miljövänliga. Baserat på information från litteratursökning har massan komponerats av lignin, granspån, samt vatten.

De laborativa experiment som genomförts i denna studie har visat att det är praktiskt möjligt att använda en massa med sågspån och lignin som bindemedel i 3D-utskrift för att tillverka tredimensionella objekt. Strängarna som trycktes ut bildade en homogen produkt efter torkningen. Materialet har dock visat sig ha väldigt låg draghållfasthet, och den maximala tryckhållfastheten uppmättes till 7,2 MPa vilken uppmättes vid användning av störst studerad andel lignin (60 g) samt längst studerad torkningstid i ugnen (150 minuter). Lignin i massa tänkt för 3D-skrivare hade inte studerats innan detta laborativa experiment. De första forskningsresultaten kan dock ge en bra grund för vidare utveckling.

Slutsatsen är att materialet bedöms kunna vara till nytta i situationer som inte utsätts för höga laster, eventuellt med vissa modifikationer. Inom vilket användningsområde återstår att komma fram till.

26

Referenser

1. Naturskyddsföreningen. Sveriges klimatlag – så funkar den! [Internet]. Stockholm: Naturskyddsföreningen; c2021. [Citerad 2021-04-09]. Hämtad från:

https://www.naturskyddsforeningen.se/klimatlagen-sa-funkar-den

2. Boverket. Utsläpp av växthusgaser från bygg- och fastighetssektorn [Internet]. Boverket; 2021. [Uppdaterad 2021-02-17, citerad 2021-04-09]. Hämtad från: https://www.boverket.se/sv/byggande/hallbart-byggande-och-

forvaltning/miljoindikatorer---aktuell-status/vaxthusgaser/

3. Nordman, B. Miljöbelastning av stadig grund: cement och betong [Internet]. Natur och Miljö; 2020. [Uppdaterad 2020-05-22, citerad 2021-04-09]. Hämtad från:

https://www.naturochmiljo.fi/lar-dig-mer/perspektiv/cement-och-betong/

4. Kvarnlöf, J. ROCKWOOL i samarbete med Ragn-Sells för ökad återvinning inom byggindustrin [Internet]. Jönköping: Rockwool; 2018. [Uppdaterad 2018-09-28, citerad 2021-04-10]. Hämtad från: https://www.rockwool.se/om-oss/nyheter/2018/rockwool-i- samarbete-med-ragn-sells-foer-oekad-aatervinning-inom-byggindustrin/

5. Rael R, San Fratello V. Printing Architecture. Innovative Recipes for 3D Printing. Hudson: Princeton Architectural Press; 2018.

6. Sakin M, Kiroğlu Y C. 3D Printing of Buildings: Construction of the Sustainable Houses of the Future by BIM. Energy Procedia. 2017; 134: 702–711.

7. Sigma Civil. Hållbart byggande i trä - ett växande byggmaterial [Internet]. Malmö: Sigma Group; 2019. [Uppdaterad 2019-12-16, citerad 2021-04-09]. Hämtad från: https://www.sigma.se/sv/2019/12/16/hallbart-byggande-i-tra-ett-vaxande-byggmaterial/ 8. Al Ubeidi D. Effekter av lignin och cellulosa som additiv vid pelletering av träpellets

[examensarbete på Internet]. Karlstad: Karlstads Universitet; 2018 [citerad 2021-05-09]. Hämtad från: http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:1182865/FULLTEXT01.pdf 9. Oettel W. 3D-printing med betong - Några lärdomar och vägar framåt [Internet]. Rise

AB; 2020. [Uppdaterad 2020-11-26, citerad 2021-04-26]. Hämtad från:

https://byggteknikforlaget.se/3D-printing-med-betong-nagra-lardomar-och-vagar-framat/ 10. E-post, L Jansson. 2021-04-13.

11. Lütkemeyer M. 3D Printing Layer Height vs. Nozzle Size – Table & Guide [Internet]. The 3D Printed Bee. [okänt år, citerad 2021-04-30]. Hämtad från:

https://the3Dprinterbee.com/3D-printing-layer-height-vs-nozzle-size/s

12. Sandell, J. Formelsamling Fysik 1. Mattefysik, 2013. [Uppdaterad 2013-06-26, citerad 2021-05-18]. Hämtad från: http://mattefysik.se/old/pdf/formelsamling.fysik1.pdf

13. Upstate Business Journal. 3-D Printing Steps into the Spotlight [Internet]. Upstate Business Journal, 2013. [Uppdaterad 2013-04-11, citerad 2021-04-10]. Hämtad från: https://upstatebusinessjournal.com/tech-design/3-d-printing-steps-into-the-spotlight/ 14. Masters W, uppfinnare, patentinnehavare. Computer automated manufacturing process

and system. United States Patent: 4665492. 1987-05-12.

15. 3Dsourced. The Complete History of 3D Printing: From 1980 to 2021 [Internet]. 3Dsourced; 2020. [Uppdaterad 2020-08-26, citerad 2021-04-12]. Hämtad från: https://www.3Dsourced.com/guides/history-of-3D-printing/’ 16. Ngoa T D, Kashania A, Imbalzanoa G, Nguyena K T.Q., Hui D. Additive

manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges. Composites Part B. 2018; 143: 172-196.

17. Cowan M. The world's first family to live in a 3D-printed home [Internet]. BBC; 2018. [Uppdaterad 2018-07-06, citerad 2021-04-12]. Hämtad från:

https://www.bbc.com/news/technology-44709534

18. Block I. World's largest 3D-printed building completes in Dubai [Internet]. Dezeen; 2019. [Uppdaterad 2019-12-22, citerad 2021-04-12]. Hämtad från:

https://www.dezeen.com/2019/12/22/apis-cor-worlds-largest-3D-printed-building-dubai/ 19. Thinking huts. FAQs [Internet]. Thinking huts; c2021. [Citerad 2021-04-12]. Hämtad

från: https://www.thinkinghuts.org/faqs

20. Walker N. UAE announces goal of 25 percent 3D construction by 2030 [Internet]. Construction Global; 2020. [Uppdaterad 2020-04-28, citerad 2021-04-12]. Hämtad från: https://www.constructionglobal.com/construction-projects/uae-announces-goal-of-25- percent-3D-construction-by-2030

21. Hossain Md, Zhumabekova A, Paul S C, Kim J R. A Review of 3D Printing in Construction and its Impact on the Labor Market. Sustainability. 2020; 12(20): 8492. 22. Johannesson P, Vretblad B. Byggformler och tabeller. 11 upplagan. Stockholm: Liber;

2011.

23. Boverket. Boverkets handbok om betongkonstruktioner, BBK 04. Boverket; 2004. 24. Chiusoli A. The first 3D printed House with earth | Gaia. Massa Lombarda: WASP;

2018. [Uppdaterad 2018-09-29, citerad 2021-04-13]. Hämtad från: https://www.3Dwasp.com/en/3D-printed-house-gaia/

25. Chiusoli A. Tecla | A 3D printed global habitat for sustainable living,Massa Lombarda: WASP; 2021. [Uppdaterad 2021-01-21, citerad 2021-04-13]. Hämtad från:

https://www.3Dwasp.com/en/3D-printed-house-tecla/

26. RISE. Katastrofhjälp och möbeltillverkning – 3D printing med lokala material öppnar för stora möjligheter [Internet]. Göteborg: RISE; 2018. [Uppdaterad 2018-11-26, citerad

28

2021-04-13]. Hämtad från: https://www.ri.se/sv/berattelser/katastrofhjalp-och- mobeltillverkning-3D-printing-med-lokala-material-oppnar-stora

27. Föreningen Skogen. Användning av olika träslag [Internet]. Stockholm: Föreningen Skogen; 2020. [Uppdaterad 2020-06-02, citerad 2021-04-14]. Hämtad från: https://www.skogssverige.se/tra/fakta-om-tra/anvandning-av-olika-traslag

28. Svenskt trä. Dimensionering av träkonstruktioner Del 1. 3 uppl. Stockholm: Svenskt trä; 2019.

29. Luo Z, Wang S. Pyrolysis of Biomass. Berlin: De Gruyter; 2017.

30. Huang J, Fu S, Gan L. Lignin Chemistry and Applications [Internet]. Elsevier; 2019. 31. Ashter S A. Technology and Applications of Polymers Derived from Biomass

[Internet]. 1 uppl. William Andrew; 2017.

32. Yao L, Lu YC, Hu HQ, Xie FJ, Wei XY, Xing F. Structural Characterization of Lignin and Its Degradation Products with Spectroscopic Methods. Journal of Spectroscopy; 2017 Nov 29.

33. Irmer J. Lignin – a natural resource with huge potential [Internet]. BIOPRO Baden- Württemberg GmbH; 2017. [Uppdaterad 2017-03-20, citerad 2021-04-27]. Hämtad från: https://www.biooekonomie-bw.de/en/articles/dossiers/lignin-a-natural-resource- with-huge-potential

34. Byggnadsvårdsföreningen. Träskivor, plywood, lamellträ, träfiber (board), spån [Internet]. Stockholm: Byggnadsvårdsföreningen; 2008. [Uppdaterad 2008-08-20, citerad 2021-05-04]. Hämtad från: https://byggnadsvard.se/plywood-lamelltra-trafiber- board-

span/#:~:text=Tr%C3%A4fiberskivor%20eller%20board,inneh%C3%A5ll%20av%20ha rtser%20och%20lignin.

35. Svenskt trä. Träets styrka och styvhet [Internet]. Stockholm: Svenskt trä; 2017. [Uppdaterad 2017-12-14, citerad 2021-04-15]. Hämtad från:

https://www.traguiden.se/om-tra/materialet-tra/traets-egenskaper-och-

kvalitet/mekaniska-egenskaper1/traets-styrka-och-styvhet/?previousState=001000 36. Rosenthal M., Henneberger C., Gutkes A, Bues C-T. Liquid Deposition Modeling: a

promising approach for 3D printing of wood. Eur. J. Wood Prod. 2018; 76: 797–799. 37. Kariz M, Sernek M, Kuzman M K. Use of wood powder and adhesive as a mixture for

3D printing. Eur. J. Wood Prod. 2016; 74: 123-126.

38. Pringle A, Rudnicki M, Pearce J. Wood Furniture Waste-Based Recycled 3-D Printing Filament. Forest products journal, Forest Products Research Society, 2018; 68: 86-95

30