Krabi, mušle, šneci, brouci a další korýši mají svá pancíře z velké části z chitinu. Tento odolný přírodní materiál se vyskytuje také v houbách. Stačí krátká procházka po pláži nebo lesem, abyste viděli, jak často se chitin v přírodě vyskytuje. Odhady roční produkce se značně liší a dosahují až 100 miliard tun. Chitin je tak vedle celulózy nejčastěji se vyskytujícím biopolymerem. Jako vedlejší produkt z rybolovu je chitin cenově dostupný.
Také jeho vlastnosti přesvědčují: chitin je tuhý, pevný, prakticky nerozpustný ve vodě a přesto biologicky rozložitelný – a brání růstu bakterií. To vše činí surovinu v zásadě zajímavou pro individuálně přizpůsobené additivně vyráběné ortézy na ruce nebo prsty a další zdravotnické prostředky. Ale chitin se dosud nedá snadno zpracovat pomocí zavedených additivních výrobních metod. Aby to bylo v budoucnu možné, spolupracují v rámci výzkumného projektu „BUTTERFLIES“ aktéři z průmyslu a vědy na sladění materiálu a 3D tiskové technologie.
Binder Jetting je v zásadě vhodný pro chitin
Pro zpracování chitinu je v zásadě možné použít takzvané Binder Jetting. Při této additivní výrobní metodě se tisková hlava pohybuje nad práškovou vrstvou a na přesně určených místech kapkově nanáší pojivo. Infrarotový zářič urychluje vytvrzování. Tak se vrstvu po vrstvě vytváří díl.
Chitin lze také rozemlít na jemný prášek. Na rozdíl od běžných plastových částic, které jsou téměř kulaté a lze je rovnoměrně rozložit podobně jako jemný písek, jsou chitinové částice ploché, nepravidelné a ostré. Není možné je rovnoměrně rozložit bez dalšího. Výzkumný tým z Fraunhoferova institutu pro výrobní techniku a automatizaci IPA proto přizpůsobuje aplikaci prášku a vedení procesu tomuto přírodnímu materiálu.
Hledání nejlepší receptury pojiva
Také pojivo, které tisková hlava při Binder Jettingu aplikuje, je zcela z biogenního materiálu. Chitin je chemicky přetvořen na chitosan. „Na tomto místě se ukázal cíl konfliktu,“ říká Jan Christoph Janhsen, vedoucí výzkumného týmu pro additivní procesy pro fotopolymery na Fraunhofer IPA. „Na jedné straně musí být pojivo dostatečně tekuté, aby spolehlivě protékalo jemnými tryskami v tiskové hlavě. Jen tak probíhá tiskový proces stabilně. Na druhé straně viskóznější pojivo spojuje práškové částice nejspolehlivěji do odolného dílu.“
Aby oběma požadavkům bylo co nejlépe vyhověno, spolupracuje Janhsensův výzkumný tým úzce se Švýcarským institutem pro zkoušení materiálů a výzkum (Empa). Vědci tam vyvíjejí chitosanové pojivo, které je poté testováno na Fraunhofer IPA. Jeho výsledky sdílí Janhsensův výzkumný tým s partnery v Empa, načež tito dále vyvíjejí svou recepturu pro chitosanové pojivo.
Umělá inteligence by mohla tento proces sladění usnadnit. Předpokládá se, že AI vyhodnocuje měřicí data z vývoje materiálu a procesu, rozpoznává souvislosti mezi recepturou, tiskovatelností a vlastnostmi dílů a na základě toho odvozuje nové formulace pojiv.
Na Formnext: Udržitelnost v 3D tisku
Ale i bez pomoci umělé inteligence již existují první formulace pojiv, které lze aplikovat tiskovou hlavou. Také chitinový prášek je nyní tak daleko zpracován, že se dá vrstvit. Hotové 3D tištěné díly nebo dokonce ortézy zatím neexistují, ale první předběžné pokusy s chitin a chitosan ukázaly, že materiál dosahuje dobrého mechanického spojení: tenká testovací struktura odolala zatížení přibližně 1,3 kilogramu. Ukázalo se však, že se materiál při vytvrzování smršťuje, deformuje nebo dokonce praská.
Pohledy do výzkumného projektu BUTTERFLIES poskytnou vědci kolem Janhsena od 17. do 20. listopadu na odborném veletrhu Formnext ve Frankfurtu nad Mohanem. Na společném stánku Fraunhoferovy společnosti ukáže Fraunhofer IPA na několika exponátech, jak lze additivní výrobu učinit udržitelnější: hala 11.0, stánek D31.
Kontakt:
