Les carapaces de crabes, de mollusques, d'escargots, de coléoptères et d'autres crustacés sont en grande partie composées de chitin. On trouve également cette matière naturelle résistante dans les champignons. Une simple promenade sur la plage ou dans les bois suffit à constater la fréquence du chitin dans la nature. Les estimations de la quantité produite chaque année varient considérablement et atteignent jusqu'à 100 milliards de tonnes. Ainsi, le chitin est, avec la cellulose, le biopolymère le plus courant. En tant que sous-produit de la pêche, le chitin est disponible à bas coût.
Ses propriétés sont également convaincantes : le chitin est rigide, résistant à la traction, pratiquement insoluble dans l'eau et pourtant biodégradable - et il inhibe la croissance des bactéries. Tout cela rend la matière première fondamentalement intéressante pour des orthèses manuelles ou digitales et d'autres produits médicaux fabriqués par ajout. Cependant, le chitin ne peut pas encore être traité facilement avec les procédés de fabrication additive établis. Pour que cela soit possible à l'avenir, les acteurs du projet de recherche « BUTTERFLIES » harmonisent le matériau et un procédé d'impression 3D.
Le Binder Jetting est fondamentalement adapté au chitin
Pour le traitement du chitin, le procédé de fabrication additive appelé Binder Jetting est fondamentalement envisageable. Dans ce procédé, une tête d'impression se déplace sur un lit de poudre et applique des gouttes de liant à des endroits précisément définis. Un émetteur infrarouge accélère le durcissement. Ainsi, couche par couche, une pièce est créée.
Le chitin peut également être broyé en une fine poudre. Cependant, contrairement aux particules de plastique conventionnelles, qui sont presque rondes et peuvent être réparties uniformément comme du sable fin, les particules de chitin sont plates, irrégulières et tranchantes. Elles ne peuvent pas être étalées uniformément sans difficulté. Une équipe de recherche de l'Institut Fraunhofer pour la technologie de production et l'automatisation IPA adapte donc l'application de poudre et la conduite du processus au matériau naturel.
À la recherche de la meilleure recette de liant
Le liant que la tête d'impression applique lors du Binder Jetting est également entièrement composé de matériau biologique. Pour cela, le chitin est chimiquement transformé en chitosane. « À ce stade, un conflit d'objectifs s'est révélé », déclare Jan Christoph Janhsen, chef de l'équipe de recherche sur les processus additifs pour les photopolymères au Fraunhofer IPA. « D'une part, le liant doit être suffisamment fluide pour s'écouler de manière fiable à travers les fines buses de la tête d'impression. C'est la seule façon d'assurer la stabilité du processus d'impression. D'autre part, un liant plus visqueux lie les particules de poudre de manière plus fiable pour créer une pièce solide. »
Pour répondre au mieux aux deux exigences, l'équipe de recherche de Janhsen collabore étroitement avec l'Institut fédéral suisse de contrôle des matériaux et de recherche (Empa). Les scientifiques là-bas développent le liant de chitosane, qui sera ensuite testé au Fraunhofer IPA. Les résultats de l'équipe de recherche de Janhsen sont partagés avec les partenaires de l'Empa, qui à leur tour développent leur recette pour le liant de chitosane.
L'intelligence artificielle pourrait faciliter ce processus d'harmonisation. Il est prévu qu'une IA analyse les données de mesure issues du développement des matériaux et des processus, identifie les relations entre la recette, l'imprimabilité et les propriétés des pièces, et en déduise de nouvelles formulations de liants.
À la Formnext : durabilité dans l'impression 3D
Mais même sans l'aide d'une intelligence artificielle, il existe désormais des formulations de liants qui peuvent être appliquées avec une tête d'impression. La poudre de chitin est également maintenant suffisamment traitée pour être appliquée couche par couche. Bien qu'il n'y ait pas encore de pièces imprimées en 3D ou même d'orthèses, les premiers essais avec du chitin et du chitosane ont montré que le matériau atteint une bonne cohésion mécanique : une structure de test fine a résisté à une charge d'environ 1,3 kilogramme. Cependant, il a été constaté que le matériau se rétracte, se déforme ou même se fissure lors du durcissement.
Les scientifiques autour de Janhsen donneront un aperçu du projet de recherche BUTTERFLIES du 17 au 20 novembre lors de la foire spécialisée Formnext à Francfort-sur-le-Main. Sur le stand commun de la Société Fraunhofer, le Fraunhofer IPA montrera à travers plusieurs exposés comment la fabrication additive peut être rendue plus durable : Hall 11.0, Stand D31.
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