Оболонки крабів, молюсків, равликів, жуків та інших ракоподібних на великій частині складаються з хитину. Також у грибах зустрічається цей стійкий природний матеріал. Навіть коротка прогулянка пляжем або лісом достатня, щоб побачити, як часто хитин зустрічається в природі. Оцінки щорічно утворюваної кількості варіюються і досягають до 100 мільярдів тонн. Таким чином, хитин, поряд з целюлозою, є найпоширенішим біополімером. Як побічний продукт рибальства, хитин доступний за низькою ціною.
Його властивості також вражають: хитин жорсткий, витривалий, практично не розчинний у воді і все ж біологічно розкладний – і він стримує ріст бактерій. Все це робить сировину принципово цікавою для індивідуально адаптованих адитивно виготовлених ручних або пальцевих ортезів та інших медичних виробів. Проте хитин поки що не можна легко обробляти за допомогою усталених адитивних виробничих процесів. Щоб це стало можливим у майбутньому, учасники дослідницького проекту «BUTTERFLIES» узгоджують матеріал і 3D-друкарський процес.
Binder Jetting в принципі підходить для хитину
Для обробки хитину в принципі підходить так зване Binder Jetting. У цьому адитивному виробничому процесі друкарська головка рухається по порошковій підстилці і наносить зв'язуючий матеріал крапельно в точно визначених місцях. Інфрачервоний випромінювач прискорює затвердіння. Шар за шаром таким чином утворюється деталь.
Також хитин можна подрібнити до тонкого порошку. Але на відміну від звичайних пластикових частинок, які майже круглі і можуть рівномірно розподілятися, як дрібний пісок, частинки хитину плоскі, нерегулярні і гострокутні. Рівномірно розподілити їх не так просто. Дослідницька група з Fraunhofer Institute for Production Technology and Automation IPA тому адаптує нанесення порошку і управління процесом до природного матеріалу.
У пошуках найкращої рецептури зв'язуючого матеріалу
Також зв'язуючий матеріал, який друкарська головка використовує під час Binder Jetting, повністю складається з біогенного матеріалу. Для цього хитин хімічно перетворюється на хітозан. «На цьому етапі виявився конфлікт цілей», – говорить Ян Христоф Янсен, керівник дослідницької групи адитивних процесів для фотополімерів у Fraunhofer IPA. «З одного боку, зв'язуючий матеріал повинен бути достатньо рідким, щоб надійно проходити через тонкі сопла в друкарській головці. Тільки так процес друку буде стабільним. З іншого боку, в'язкіший зв'язуючий матеріал найкраще з'єднує порошкові частинки в надійну деталь.»
Щоб максимально задовольнити обидва вимоги, команда Янсена тісно співпрацює з Федеральним інститутом матеріалознавства та досліджень (Empa). Вчені там розробляють зв'язуючий матеріал на основі хітозану, який потім тестується в Fraunhofer IPA. Результати Янсена команда ділиться з партнерами в Empa, після чого вони вдосконалюють свою рецептуру для зв'язуючого матеріалу на основі хітозану.
Штучний інтелект може полегшити цей процес узгодження. Передбачається, що ШІ аналізує вимірювальні дані з розробки матеріалів і процесів, виявляє зв'язки між рецептурою, друкованістю та властивостями деталей і на основі цього розробляє нові формулювання зв'язуючих матеріалів.
На Formnext: сталий розвиток у 3D-друці
Але навіть без допомоги штучного інтелекту вже існують перші формулювання зв'язуючого матеріалу, які можна наносити за допомогою друкарської головки. Також порошок хитину вже підготовлений так, що його можна наносити шарами. Готових 3D-друкованих деталей або навіть ортезів ще немає, але перші попередні випробування з хитином і хітозаном показали, що матеріал досягає хорошого механічного зчеплення: тонка тестова структура витримала навантаження близько 1,3 кілограма. Однак було виявлено, що матеріал при затвердінні зменшується в об'ємі, деформується або навіть тріскається.
Вчені надають інформацію про дослідницький проект BUTTERFLIES з 17 по 20 листопада на спеціалізованій виставці Formnext у Франкфурті-на-Майні. На спільному стенді Fraunhofer-Gesellschaft Fraunhofer IPA демонструє на кількох експонатах, як адитивне виробництво може бути більш стійким: зал 11.0, стенд D31.
Контакт:
