A rákok, kagylók, csigák, bogarak és más puhatestűek páncélja nagyrészt chitinből áll. A gombákban is megtalálható ez az ellenálló természetes anyag. Egy rövid séta a tengerparton vagy az erdőben elegendő ahhoz, hogy lássuk, mennyire gyakori a chitin a természetben. A becslések az évente keletkező mennyiségre széles skálán mozognak, akár 100 milliárd tonnáig is. Ezzel a chitin a cellulóz mellett a leggyakrabban előforduló biopolimerré válik. A halászati melléktermékként a chitin olcsón elérhető.
Tulajdonságai is meggyőzőek: a chitin merev, húzóerővel szemben ellenálló, gyakorlatilag nem oldódik vízben, mégis biológiailag lebomlik - és gátolja a baktériumok növekedését. Mindez alapvetően érdekessé teszi az alapanyagot egyedi, additív módon készült kéz- vagy ujjortézisek és más orvosi termékek számára. Azonban a chitin eddig nem dolgozható fel könnyen a bevett additív gyártási eljárásokkal. Annak érdekében, hogy ez a jövőben lehetséges legyen, a BUTTERFLIES kutatási projekt keretében a gazdaság és a tudomány szereplői összehangolják az anyagot és egy 3D nyomtatási eljárást.
A Binder Jetting alapvetően alkalmas chitinhez
A chitin feldolgozásához alapvetően a Binder Jetting nevű eljárás jöhet szóba. Ebben az additív gyártási eljárásban egy nyomtatófej egy porágy fölött mozog, és pontosan meghatározott helyeken cseppenként kötőanyagot juttat a porhoz. Egy infravörös sugárzó felgyorsítja a megkötést. Rétegről rétegre így készül el egy alkatrész.
A chitin is finom porrá őrölhető. Azonban a hagyományos műanyag részecskékkel ellentétben, amelyek körülbelül kerekek és hasonlóan, mint a finom homok, egyenletesen eloszthatók, a chitin részecskék laposak, szabálytalanok és éles szélekkel rendelkeznek. Egyenletesen nem lehet őket könnyen eloszlatni. A Fraunhofer Intézet a Gyártástechnika és Automatizálás IPA kutatócsoportja ezért a porfelvitel és a folyamatvezetés alkalmazkodik a természetes anyaghoz.
A legjobb kötőanyag-recept keresése
A kötőanyag, amelyet a nyomtatófej a Binder Jetting során alkalmaz, teljes egészében biogén anyagból áll. Ehhez a chitint kémiailag átalakítják chitosanná. "Ezen a ponton egy célkonfliktus merült fel" - mondja Jan Christoph Janhsen, a Fraunhofer IPA fotopolimerekhez kapcsolódó additív folyamatok kutatócsoportjának vezetője. "Egyrészt a kötőanyagnak elég folyékonyan kell lennie ahhoz, hogy megbízhatóan átfolyjon a nyomtatófej finom fúvókáin. Csak így működik stabilan a nyomtatási folyamat. Másrészt a viszkózusabb kötőanyag köti össze a por részecskéket a legmegbízhatóbban egy terhelhető alkatrésszé."
Annak érdekében, hogy mindkét követelménynek a lehető legjobban megfeleljenek, Janhsen kutatócsoportja szorosan együttműködik a Svájci Anyagvizsgáló és Kutatóintézettel (Empa). A tudósok ott fejlesztik a chitosan kötőanyagot, amelyet aztán a Fraunhofer IPA-n tesztelnek. Janhsen kutatócsoportja megosztja az eredményeit az Empa partnereivel, akik ennek alapján továbbfejlesztik a chitosan kötőanyag receptjét.
A mesterséges intelligencia megkönnyítheti ezt az összehangolási folyamatot. Tervezett, hogy egy MI kiértékeli az anyag- és folyamatfejlesztésből származó mérési adatokat, összefüggéseket talál a recept, nyomtathatóság és alkatrészjellemzők között, és új kötőanyag-formulációkat dolgoz ki.
A Formnext-en: Fenntarthatóság a 3D nyomtatásban
De már mesterséges intelligencia segítsége nélkül is léteznek első kötőanyag-formulációk, amelyeket nyomtatófejjel lehet alkalmazni. A chitinpor is már annyira elő van készítve, hogy rétegenként felhordható. Kész 3D-nyomtatott alkatrészek vagy akár ortézisek még nem léteznek, de az első kísérletek chitin és chitosan felhasználásával azt mutatták, hogy az anyag jó mechanikai összetartást ér el: egy vékony tesztstruktúra körülbelül 1,3 kilogramm terhelést bírt ki. Azonban kiderült, hogy az anyag a megkötés során zsugorodik, deformálódik vagy akár repedések is keletkeznek.
A BUTTERFLIES kutatási projektbe betekintést nyújtanak Janhsen és csapata tudósai november 17. és 20. között a Formnext szakkiállításon Frankfurt am Mainban. A Fraunhofer Társaság közös standján a Fraunhofer IPA több kiállításon keresztül mutatja be, hogyan lehet fenntarthatóbbá tenni az additív gyártást: 11.0 csarnok, D31 stand.
Kapcsolat:
