La impresión 3D o la fabricación aditiva están recibiendo un interés creciente debido a factores como la flexibilidad de diseño que permite, la creación rápida de prototipos y el potencial para una aplicación más amplia de bioplásticos. La impresión 3D generalmente se refiere a una clase de técnicas de fabricación mediante las cuales un objeto se produce imprimiendo materiales en capas que se unen para lograr el objeto final deseado.
La producción de objetos con impresión 3D requiere costos de inversión relativamente más bajos para diseños variados. En comparación con el moldeo por inyección, donde se deben crear moldes específicos para cada objeto. Los moldes suelen ser caros y destinados a la producción en masa. Mientras que en la impresión 3D no se requieren moldes.
Un inventor puede concebir un producto hoy, modelarlo en CAD, enviar el diseño a una impresora 3D y tener el prototipo listo en un día. Si ese prototipo se fabrica utilizando un bioplástico biodegradable como el VEOfiber Premium 3D, no se convierte en un problema ambiental al final de su uso. Simplemente se puede reciclar o usar para compost.
Los bioplásticos se han utilizado en una gama más amplia de métodos de impresión 3D en diferentes estudios de investigación para explorar diversas formas de procesar bioplásticos. Sin embargo, las propiedades de la mayoría de los bioplásticos actualmente limitan la impresión 3D de bioplásticos a ciertos métodos.
Los métodos de impresión 3D que se utilizan con frecuencia para los bioplásticos son los métodos de extrusión de materiales, la impresión 3D de inyección de tinta y el hilado 3D. Los métodos de extrusión de materiales son diversos y los más utilizados. Algunos ejemplos son la fabricación de filamentos fundidos (FFF), el modelado por deposición fundida (FDM), la escritura directa de tinta (DIW) y la bioimpresión 3D por microextrusión. La Tabla 1 resume estas tres categorías de métodos de impresión 3D.
Tabla 1. Métodos de impresión 3D más utilizados para bioplásticos
Método de extrusión de material | Impresión 3D de inyección de tinta | Hilatura 3D |
Un material extruible se dispensa a través de una boquilla y se deposita capa por capa. Ejemplo: FDM (modelado por deposición fundida), SLA (estereolitografía) y DIW (escritura directa con tinta) | Las gotas líquidas de tamaño micrométrico expulsadas por fuerzas acústicas o térmicas se depositan en una ubicación definida por el usuario sobre un sustrato. Ejemplo: proceso de inyección de aglutinante | La solución de polímero se hila en filamentos apilados a partir de una aguja. Ejemplo: hilatura 3D húmeda y electrohilatura 3D |
Hasta ahora, el método de extrusión de material FDM ha sido el más utilizado porque permite que el bioplástico se mezcle con otros materiales de manera más efectiva. Dado que también es compatible con la impresión 3D de otros plásticos no biodegradables como ABS y PET, es más económico comprar una impresora 3D FDM para opciones más amplias. Algunos ejemplos de formulaciones de bioplásticos y la técnica de impresión 3D en la que se han utilizado se enumeran en la Tabla 2.
Una de las limitaciones de la impresión 3D con bioplásticos es la dificultad para producir los filamentos delgados necesarios para el método de extrusión de material comúnmente utilizado para la impresión 3D con bioplásticos. Los filamentos deben producirse utilizando el método de extrusión convencional y esto está asociado con el problema del oleaje de la matriz. Un defecto que resulta de la extrusión de material viscoso a través de la boquilla de la extrusora que tiene un diámetro pequeño.
Otros defectos, como la deformación de piezas, la baja aglomeración entre capas y las propiedades mecánicas deficientes de las piezas impresas en 3D, se producen cuando los bioplásticos no están bien formulados para la impresión 3D. Por lo tanto, el desafío es diseñar las formulaciones bioplásticas de manera que estén optimizadas específicamente para la impresión 3D. Esto reduce la posibilidad de que ocurran defectos. Las mezclas y las formulaciones compuestas están optimizadas para técnicas y aplicaciones de procesamiento específicas.
Algunos métodos, como el hilado húmedo 3D, requieren que los bioplásticos se disuelvan en disolventes. Esto en la mayoría de los casos requiere el uso de disolventes peligrosos para el medio ambiente, como el cloroformo y el tetrahidrofurano. Se deben explorar disolventes más ecológicos cuando se utilizan tales métodos de impresión 3D.
La principal mejora en la impresión 3D en los últimos años ha sido el avance del proceso para permitir una gama más amplia de materiales que se imprimen en 3D. La gama de diseño alcanzable utilizando la técnica de impresión 3D también se ha ampliado en los últimos años. Desde objetos en miniatura hasta edificios y cohetes espaciales, la impresión 3D se ha utilizado para producir casi todo.
Se ha logrado una mejor direccionalidad en el proceso, mejores propiedades mecánicas y menos deformación gracias al desarrollo en diferentes aspectos como se discute en las siguientes secciones.
Los biocompuestos y mezclas pueden tener propiedades superiores como transpirabilidad, resistencia superior, resistencia óptica mejorada y rendimiento general mejorado en comparación con los bioplásticos puros. Algunas formulaciones de biocompuestos se enumeran en la Tabla 2.
Tabla 2. Algunas formulaciones bioplásticas, técnicas de impresión 3D y aplicaciones potenciales
| Compuesto / mezclas bioplásticas | Método de impresión 3D | Aplicación potencial |
| PLA / harina de madera | FFF/FDM | Aplicaciones que requieren soporte de carga u otro uso funcional |
| PLA/ celulosa de algodón | FDM | Automotor |
| PHBHHx / PCL | Hilatura húmeda asistida por ordenador | Andamios biomédicos |
| P4HB / PHOH | SLA | Válvula cardíaca – arteria subclavia |
| PHBV / nanopartículas de fosfato de calcio / gelatina | SLS | Andamio 3D con una estructura de matriz extracelular |
| PHBV / harina de madera | FDM | Filamentos |
| PCL / Residuos de cáscara de cacao | FDM | Aplicación biomédica y uso doméstico |
Los biocompuestos se fabrican formulando bioplásticos con fibras y minerales para formar un material con propiedades diferentes a las de los materiales componentes individuales. En biocompuesto, un material sirve como la fase continua, la matriz, mientras que otro material sirve como la fase dispersa, la fibra o mineral. Un ejemplo de una formulación compuesta es PHA con polvo de cáscara de huevo.
Los biocompuestos se refieren a una formulación que se logra combinando dos bioplásticos que sirven como fases continuas. Por ejemplo, una mezcla de PLA y PBAT o una mezcla de PVA y PLA. Estas mezclas y compuestos tienen como objetivo lograr procesabilidad, rendimiento y / o biodegradabilidad que no es alcanzable por el bioplástico en su forma limpia.
Dado que existen varios tipos de procesos de impresión 3D, se han desarrollado resinas bioplásticas especialmente formuladas para métodos específicos de impresión 3D. Los ejemplos incluyen el desarrollo de resina PHB curable que permite aplicar biopolímeros en métodos de impresión 3D que requieren fotocurado.
Dado que los métodos de impresión 3D como SLA requieren que el plástico se endurezca mediante la exposición a la luz, esto limita este método de impresión 3D en particular a los plásticos fotocurables. Por lo tanto, algunos investigadores han explorado el desarrollo de bioplásticos fotocurables como PLLA reticulable.
La gama de bioplásticos 3D premium VEOfiber de VEnvirotech está optimizada para la impresión 3D utilizando el método de impresión 3D FDM / FFF. El método FDM / FF no requiere el uso de disolvente de fotocurado, sino de las propiedades térmicas y mecánicas del material.
La nanocelulosa en particular ha sido prometedora en la impresión 3D de bioplásticos. Los biocompuestos fabricados con nanocelulosa muestran mejoras significativas en las propiedades térmicas y mecánicas que los hacen más adecuados para la impresión 3D. La nanocelulosa es particularmente atractiva porque la celulosa es relativamente abundante en la naturaleza.
Otras nanopartículas incluyen nanopartículas de hidroxiapatita, nanopartículas de grafeno y nanotubos de carbono, entre otros. A nanoescala, estos materiales presentan diferentes efectos sobre el biocompuesto en comparación con los biocompuestos preparados con partículas más grandes. Esto a menudo resulta en materiales con propiedades excepcionales.
Los materiales sensibles a los estímulos se han desarrollado utilizando compuestos bioplásticos biocompatibles. Estos logran la impresión en 4 dimensiones imprimiendo primero en 3D los objetos. El objeto impreso se remodela y madura en el proceso de impresión 4D.
Esto logra un tejido complejo que imita mejor los tejidos reales al cambiar la forma y las características en respuesta a los estímulos. Los estímulos pueden ser químicos, físicos o biológicos. Esto tiene aplicaciones prometedoras en la reparación de tejidos, el reemplazo y el crecimiento mejorado.
Con el avance biotecnológico que permite un mejor control sobre la estructura química y, por lo tanto, las propiedades mecánicas de los bioplásticos, es más posible ajustar mejor los bioplásticos para mejorar su compatibilidad con la impresión 3D.
Los bioplásticos ya se están aplicando para aplicaciones biomédicas, como la producción de andamios de tejido óseo. Esperamos ver este avance hacia la impresión 3D y 4D de tejidos más complejos que replican mejor los tejidos reales. La biocompatibilidad y la biodegradabilidad de los bioplásticos desempeñan un papel importante en tales aplicaciones. PLA, PHA y PCL son algunos de los bioplásticos que se utilizan.
En alimentos, la impresión 3D se ha aplicado a la impresión 3D de carne cultivada en tejidos y otros alimentos. Esto se presenta como parte del esfuerzo para encontrar formas alternativas de hacer que los alimentos estén disponibles para las personas de una manera rentable, higiénica y respetuosa con el medio ambiente. Cuando se trata de alimentos, es más probable que tales ideas sean aceptables para los consumidores cuando las materias primas utilizadas son de origen natural.
Este es un grado bioplástico optimizado para el método de impresión 3D FDM / FFF. Su formulación única comprende un 30% de fibras naturales recuperadas de desechos orgánicos del procesamiento de alimentos, cervecería y otras industrias. El VEOfiber premium 3D tiene una capacidad de impresión 3D superior a la del PLA. Este material innovador combina sostenibilidad y rendimiento superior.
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