Las conchas de cangrejos, mejillones, caracoles, escarabajos y otros mariscos están compuestas en gran parte de quitina. También se encuentra esta resistente sustancia natural en los hongos. Un breve paseo por la playa o por el bosque es suficiente para ver cuán común es la quitina en la naturaleza. Las estimaciones sobre la cantidad generada anualmente varían ampliamente y alcanzan hasta 100 mil millones de toneladas. Así, la quitina es, junto con la celulosa, el biopolímero más común. Como residuo de la pesca, la quitina está disponible a bajo costo.
También sus propiedades son convincentes: la quitina es rígida, resistente a la tracción, prácticamente insoluble en agua y, sin embargo, biodegradable, además de inhibir el crecimiento de bacterias. Todo esto hace que la materia prima sea fundamentalmente interesante para ortesis de mano o dedo fabricadas aditivamente y otros productos médicos personalizados. Sin embargo, hasta ahora, la quitina no se puede procesar fácilmente con los métodos de fabricación aditiva establecidos. Para que esto sea posible en el futuro, los actores de la economía y la ciencia están ajustando el material y un proceso de impresión 3D en el proyecto de investigación 'BUTTERFLIES'.
El Binder Jetting es fundamentalmente adecuado para la quitina
Para el procesamiento de la quitina, se considera fundamentalmente el llamado Binder Jetting. En este método de fabricación aditiva, una cabeza de impresión se mueve sobre una cama de polvo y aplica aglutinante gota a gota en lugares exactamente determinados. Un emisor de infrarrojos acelera el curado. Así, capa por capa, se forma una pieza.
La quitina también se puede moler hasta convertirla en un polvo fino. Pero a diferencia de las partículas de plástico convencionales, que son casi redondas y se pueden distribuir uniformemente como arena fina, las partículas de quitina son planas, irregulares y con bordes afilados. No se pueden rastrillar uniformemente sin más. Por ello, un equipo de investigación del Instituto Fraunhofer de Tecnología de Producción y Automatización IPA está adaptando la aplicación de polvo y la conducción del proceso al material natural.
En busca de la mejor receta de aglutinante
El aglutinante que la cabeza de impresión aplica durante el Binder Jetting también está compuesto completamente de material biogénico. Para ello, la quitina se transforma químicamente en quitosano. 'En este punto ha surgido un conflicto de objetivos', dice Jan Christoph Janhsen, líder del equipo de investigación de Procesos Aditivos para Fotopolímeros en el Fraunhofer IPA. 'Por un lado, el aglutinante debe ser lo suficientemente fluido para que fluya de manera confiable a través de las finas boquillas de la cabeza de impresión. Solo así el proceso de impresión se mantiene estable. Por otro lado, un aglutinante más viscoso une las partículas de polvo de manera más confiable en una pieza resistente.'
Para cumplir con ambas exigencias de la mejor manera posible, el equipo de investigación de Janhsen trabaja en estrecha colaboración con el Instituto Federal Suizo de Ensayos y Investigación de Materiales (Empa). Los científicos allí desarrollan el aglutinante de quitosano, que luego se imprime de manera experimental en el Fraunhofer IPA. Su equipo de investigación comparte los resultados con los socios de Empa, quienes luego desarrollan aún más su formulación para el aglutinante de quitosano.
La inteligencia artificial podría facilitar este proceso de ajuste. Se prevé que una IA evalúe los datos de medición del desarrollo de materiales y procesos, reconozca las relaciones entre la formulación, la imprimibilidad y las propiedades de las piezas, y derive nuevas formulaciones de aglutinante a partir de ello.
En la Formnext: Sostenibilidad en la impresión 3D
Pero incluso sin la ayuda de una inteligencia artificial, ya existen formulaciones de aglutinante que se pueden aplicar con una cabeza de impresión. Además, el polvo de quitina ya se ha procesado lo suficiente como para que se pueda aplicar en capas. Aunque aún no hay piezas impresas en 3D o incluso ortesis terminadas, los primeros ensayos con quitina y quitosano han demostrado que el material alcanza una buena cohesión mecánica: una estructura de prueba delgada soportó una carga de aproximadamente 1.3 kilogramos. Sin embargo, se ha demostrado que el material se contrae, se deforma o incluso se agrieta al curarse.
Los científicos del proyecto de investigación BUTTERFLIES, liderados por Janhsen, ofrecerán información del 17 al 20 de noviembre en la feria especializada Formnext en Frankfurt del Meno. En el stand conjunto de la Sociedad Fraunhofer, el Fraunhofer IPA mostrará a través de varias exposiciones cómo se puede hacer la fabricación aditiva más sostenible: Pabellón 11.0, Stand D31.
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