Resines d’impressió 3D sostenibles a partir de fonts vegetals

La indústria de la impressió 3D es troba en un moment clau de transformació per avançar cap a models de producció més sostenibles i responsables amb el medi ambient. Un dels principals reptes és substituir les resines d’origen fòssil, àmpliament utilitzades, per alternatives renovables que mantinguin les prestacions tècniques exigides pels processos d’impressió per llum, com la fotopolimerització ràpida amb una bona estabilitat mecànica dels prototipus impresos.

Les resines polimèriques han estat un dels materials més utilitzats des dels inicis de la impressió 3D, especialment en tecnologies que fan servir llum per solidificar-les, com es el cas de les tècniques d’impressió digital amb llum (DLP). Aquestes resines es formen a partir de compostos liquids, anomenats monòmers i oligòmers, que es tornen sòlids quan es polimeritzen sota l’acció de llum ultraviolada (UV) o llum visible (vis). Tot i que en altres tipus d’impressió 3D, com la Fused Deposition Modeling (FDM), ja fan servir materials més sostenibles, com el PLA (fet a partir de midó de blat de moro), en el cas del material de partida per impressió DLP això no és tan fàcil. Fer resines amb components naturals és complex perquè aquestes matèries primeres han de permetre reaccions de polimerització (la reacció química que les transforma en plàstic) en estat líquid i lliure de dissolvents. 

En aquest context, s’han desenvolupat noves resines polimèriques 3D a partir de monòmers provinents de diverses fonts naturals, com és l’àcid succínic, l’àcid màlic, i l’àcid tartàric, que es troben en aliments com el blat de moro, el bròcoli, les pomes o el raïm. L'objectiu del projecte és impulsar les tecnologies de fabricació additiva a través d'un procés de maduració tecnològica i promoure'n la implantació de la tecnologia en la indústria catalana de fabricació de prototips de plàstic.

La recerca s’ha desenvolupat en dues fases. En una primera, liderada per l’IMEM-BRT, s’ha preparat la resina polimèrica a partir de materials d'origen vegetals per ser impresa en 3D. Posteriorment, l'àrea de Coneixement i Transferència de Tecnologia de l'ICIQ i Projectes Industrials (ICIQ-KTT) ha imprès la resina.

En la impressió 3D amb llum es requereixen resines líquides, lliures de dissolvents i amb una bona cinètica de polimerització (és a dir, com de ràpid es produeix la reacció de polimerització i quins passos químics hi intervenen) per ser industrialment viable. Aquests monòmers permeten obtenir, en una sola etapa de síntesi, resines funcionals que poden ser utilitzades en impressores tipus digital light processing (DLP) o d'estereolitografia (SLA).

Amb aquesta metodologia, els investigadors han aconseguit fabricar resines amb fins a un 50% de contingut d’origen vegetal, i les peces impreses presenten bona estabilitat estructural i una alta taxa de biodegradació. Tanmateix, per garantir les propietats necessàries de polimerització i estabilitat mecànica, va ser necessari combinar aquests components naturals amb co-monòmers derivats del petroli. Algunes formulacions inicials van mostrar fragilitat tèrmica, especialment aquelles basades en els àcids màlic i tartàric. Per això, l’equip va optar per centrar-se en combinacions més robustes, prioritzant l’ús d’àcid succínic.

Impacte

La iniciativa contribueix a la transició cap a una economia circular i baixa en carboni, reduint l’ús de recursos fòssils i promovent l’aprofitament de matèries primeres renovables en el sector de la fabricació additiva. Les resines desenvolupades ofereixen una alternativa viable per a la producció de peces 3D amb propietats adequades per a aplicacions industrials, mèdiques i educatives, afavorint la implantació de solucions ecològiques en entorns reals. 

Socis i finançament

Aquest és el segon tipus de resines polimèriques que l'ICIQ i la UPC han desenvolupat dins projecte Base3D, en l'agrupació Light3D, liderat per LEITAT. La primera va ser un polímer biodegradable que va permetre imprimir amb excel·lents propietats, amb impressores DLP.

El grup IMEM-BRT forma part del Centre de Recerca en Ciència i Enginyeria Multiescala (CCEM) de la UPC, que té l'acreditació d'Unitat d'Excel·lència María de Maeztu. Actualment compta amb un laboratori d'impressió 3D equipat amb impressores per Fused Deposition Modeling (FDM), per extrusió d'hidrogels i bio-tintes i per polimerització de resines per curat amb llum UV regulable a 365 nm, 395 nm i 405 nm.

El projecte s’ha emmarcat en el Projecte Base-3D (001-P-001646), liderat pel CIM UPC i va estar cofinançat pel Fons Europeu de Desenvolupament Regional (FEDER) en el marc del Programa Operatiu FEDER de Catalunya 2014-2020. Dotat amb un pressupost de 3.774.442,41€, va tenir una durada de 36 mesos (2020-2022).