I gusci di granchi, molluschi, lumache, coleotteri e altri crostacei sono composti in gran parte da chitosano. Anche nei funghi si trova questa resistente sostanza naturale. Basta una breve passeggiata sulla spiaggia o nel bosco per vedere quanto sia comune il chitosano in natura. Le stime sulla quantità annuale prodotta variano ampiamente e arrivano fino a 100 miliardi di tonnellate. Così, il chitosano è, insieme alla cellulosa, il biopolimero più comune. Come sottoprodotto della pesca, il chitosano è disponibile a basso costo.
Anche le sue proprietà sono convincenti: il chitosano è rigido, resistente alla trazione, praticamente insolubile in acqua eppure biodegradabile - e inibisce la crescita dei batteri. Tutto ciò rende la materia prima fondamentalmente interessante per ortesi per mani o dita prodotte additivamente e altri prodotti medicali personalizzati. Tuttavia, il chitosano non può essere lavorato facilmente con i metodi di produzione additiva consolidati. Per rendere ciò possibile in futuro, nel progetto di ricerca "BUTTERFLIES", attori del settore economico e scientifico stanno coordinando il materiale e un processo di stampa 3D.
Il Binder Jetting è fondamentalmente adatto per il chitosano
Per la lavorazione del chitosano, si considera fondamentalmente il cosiddetto Binder Jetting. In questo metodo di produzione additiva, una testina di stampa si muove su un letto di polvere e applica il legante goccia a goccia in punti esattamente definiti. Un riscaldatore a infrarossi accelera l'indurimento. Strato dopo strato, si forma così un componente.
Anche il chitosano può essere macinato in una polvere fine. Tuttavia, a differenza delle particelle di plastica convenzionali, che sono quasi rotonde e possono essere distribuite uniformemente come sabbia fine, le particelle di chitosano sono piatte, irregolari e con bordi affilati. Non possono essere raschiate uniformemente senza ulteriori adattamenti. Un team di ricerca dell'Istituto Fraunhofer per la tecnologia di produzione e automazione IPA sta quindi adattando l'applicazione della polvere e la gestione del processo al materiale naturale.
Alla ricerca della migliore ricetta per il legante
Anche il legante che la testina di stampa applica durante il Binder Jetting è completamente composto da materiale biologico. Per questo, il chitosano viene chimicamente trasformato in chitosano. "A questo punto è emerso un conflitto di obiettivi", afferma Jan Christoph Janhsen, responsabile del team di ricerca Processi additivi per polimeri fotopolimerizzabili presso il Fraunhofer IPA. "Da un lato, il legante deve essere sufficientemente fluido affinché fluisca in modo affidabile attraverso le sottili aperture nella testina di stampa. Solo così il processo di stampa rimane stabile. D'altra parte, un legante viscoso unisce le particelle di polvere in modo più affidabile in un componente resistente."
Per soddisfare al meglio entrambe le esigenze, il team di ricerca di Janhsen collabora strettamente con l'Istituto federale svizzero di prova dei materiali e ricerca (Empa). Gli scienziati lì sviluppano il legante di chitosano, che viene poi testato per la stampa presso il Fraunhofer IPA. I risultati vengono condivisi dal team di ricerca di Janhsen con i partner dell'Empa, che a loro volta sviluppano ulteriormente la loro ricetta per il legante di chitosano.
L'intelligenza artificiale potrebbe facilitare questo processo di coordinamento. È previsto che un'IA analizzi i dati di misurazione dallo sviluppo del materiale e del processo, riconosca le correlazioni tra ricetta, stampabilità e proprietà del componente e derivi nuove formulazioni di legante.
Alla Formnext: sostenibilità nella stampa 3D
Ma anche senza l'aiuto di un'intelligenza artificiale, esistono già alcune formulazioni di legante che possono essere applicate con una testina di stampa. Anche la polvere di chitosano è ora così ben preparata da poter essere applicata strato per strato. Sebbene non ci siano ancora componenti stampati in 3D finiti o addirittura ortesi, i primi esperimenti con chitosano hanno dimostrato che il materiale raggiunge una buona coesione meccanica: una sottile struttura di prova ha resistito a un carico di circa 1,3 chilogrammi. Tuttavia, è emerso che il materiale si ritira, si deforma o addirittura si crepa durante l'indurimento.
Le scienziate e gli scienziati del progetto di ricerca BUTTERFLIES forniranno informazioni dal 17 al 20 novembre alla fiera specializzata Formnext a Francoforte sul Meno. Presso lo stand comune della Società Fraunhofer, il Fraunhofer IPA mostrerà attraverso diversi esemplari come la produzione additiva può essere resa più sostenibile: Padiglione 11.0, Stand D31.
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