Pancerze krabów, małży, ślimaków, chrząszczy i innych skorupiaków składają się w dużej mierze z chityny. Występuje ona również w grzybach. Już krótki spacer po plaży lub lesie wystarczy, aby zobaczyć, jak często chityna występuje w naturze. Szacunki dotyczące rocznej produkcji różnią się znacznie i sięgają nawet 100 miliardów ton. Chityna jest więc obok celulozy najczęściej występującym biopolimerem. Jako odpad z rybołówstwa chityna jest dostępna w przystępnej cenie.
Jej właściwości również są przekonujące: chityna jest sztywna, wytrzymała na rozciąganie, praktycznie nierozpuszczalna w wodzie, a jednocześnie biodegradowalna – hamuje również wzrost bakterii. Wszystko to sprawia, że surowiec ten jest zasadniczo interesujący dla indywidualnie dopasowanych, addytywnie wytwarzanych ortez ręcznych lub palcowych oraz innych wyrobów medycznych. Jednak chityna nie może być dotychczas łatwo przetwarzana za pomocą ustalonych metod addytywnego wytwarzania. Aby to było możliwe w przyszłości, w projekcie badawczym „BUTTERFLIES” przedstawiciele przemysłu i nauki dostosowują materiał i proces druku 3D do siebie.
Binder Jetting zasadniczo nadaje się do chityny
Do przetwarzania chityny zasadniczo nadaje się tzw. Binder Jetting. W tej metodzie addytywnego wytwarzania głowica drukująca porusza się nad łóżkiem proszkowym i nanosi spoiwo w kroplach w ściśle określonych miejscach. Promieniowanie podczerwone przyspiesza utwardzanie. Warstwa po warstwie powstaje w ten sposób element.
Chitynę również można mielić na drobny proszek. Jednak w przeciwieństwie do konwencjonalnych cząstek plastikowych, które są prawie okrągłe i można je równomiernie rozprowadzać jak drobny piasek, cząstki chityny są płaskie, nieregularne i ostrokrawędziste. Nie można ich łatwo rozprowadzać równomiernie. Zespół badawczy z Fraunhofer Institute for Production Technology and Automation IPA dostosowuje zatem nanoszenie proszku i prowadzenie procesu do materiału naturalnego.
W poszukiwaniu najlepszej receptury spoiwa
Również spoiwo, które głowica drukująca stosuje w Binder Jetting, składa się w całości z materiału biologicznego. Chityna jest chemicznie przekształcana w chitozan. „W tym miejscu ujawnia się konflikt celów” – mówi Jan Christoph Janhsen, kierownik zespołu badawczego procesów addytywnych dla fotopolimerów w Fraunhofer IPA. „Z jednej strony spoiwo musi być wystarczająco rzadkie, aby mogło niezawodnie przepływać przez cienkie dysze w głowicy drukującej. Tylko w ten sposób proces druku przebiega stabilnie. Z drugiej strony, bardziej lepkie spoiwo najskuteczniej łączy cząstki proszku w wytrzymały element.”
Aby jak najlepiej sprostać obu wymaganiom, zespół badawczy Janhsena ściśle współpracuje z Federalnym Instytutem Badań i Testów Materiałów (Empa). Naukowcy tam opracowują spoiwo chitozanowe, które następnie jest testowane w Fraunhofer IPA. Wyniki są dzielone przez zespół badawczy Janhsena z partnerami z Empa, co prowadzi do dalszego rozwoju ich receptury dla spoiwa chitozanowego.
Sztuczna inteligencja mogłaby ułatwić ten proces dostosowywania. Planowane jest, że AI oceni dane pomiarowe z rozwoju materiałów i procesów, rozpozna powiązania między recepturą, zdolnością do druku a właściwościami elementów i na tej podstawie wyprowadzi nowe formuły spoiw.
Na Formnext: zrównoważony rozwój w druku 3D
Jednak nawet bez pomocy sztucznej inteligencji istnieją już pierwsze formuły spoiw, które można stosować za pomocą głowicy drukującej. Proszek chitynowy jest już na tyle przetworzony, że można go nakładać warstwowo. Gotowe elementy 3D lub wręcz ortezy jeszcze nie istnieją, ale pierwsze próby z chityną i chitozanem pokazały, że materiał osiąga dobrą spójność mechaniczną: cienka struktura testowa wytrzymała obciążenie wynoszące około 1,3 kilograma. Okazało się jednak, że materiał kurczy się podczas utwardzania, odkształca się lub nawet pęka.
Wgląd w projekt badawczy BUTTERFLIES będą miały naukowczynie i naukowcy z zespołu Janhsena od 17 do 20 listopada na targach Formnext we Frankfurcie nad Menem. Na wspólnym stoisku Fraunhofer Gesellschaft Fraunhofer IPA zaprezentuje na kilku eksponatach, jak można uczynić addytywne wytwarzanie bardziej zrównoważonym: hala 11.0, stoisko D31.
Kontakt:
