Chilenos desarrollan filamento para impresión 3D en base a biopolímero obtenido de la madera

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12 de Agosto, 2021

Eduardo Rojas y Giovanni Espinoza, ingenieros de la Universidad de Concepción (UdeC), son los creadores de Lygnil, un material en base a lignina —principal residuo de la industria de la celulosa— compatible con procesos de modelado por deposición fundida (FDM), tecnología en la que se basa la impresión 3D.

A juicio de los creadores de Lignyl, la impresión 3D es una tecnología revolucionaria al disminuir tiempos, costos y residuos en la producción de piezas complejas. Sin embargo, existe una utilización muy limitada de materiales renovables para estos fines, debido a que no cumplen requisitos de procesabilidad y poseen características termo-mecánicas inferiores a sus símiles derivados del petróleo.

Por medio de investigaciones, esta startup chilena detectó que los plásticos biobasados abarcaban solo el 1,7 % del mercado de impresión 3D, mientras predominaban los plásticos fósiles o basados en petróleo, contribuyendo al efecto invernadero y a la contaminación en el mundo. Frente a esto, los biomateriales representan una alternativa a los modelos de producción con desechos lineales. Los autores de este proyecto comprendieron un principio básico de los biomateriales: la oportunidad de ocupar un residuo subvalorado y reincorporarlo en la cadena productiva. Por ello, sus estudios arrojaron que la lignina constituye el 30 % de la madera y es el segundo biopolímero más abundante en el planeta. 

Con todo este background, hoy el equipo compuesto por Eduardo Rojas, ingeniero ambiental y tesista de ingeniería civil química UdeC, y Giovanni Espinoza, ingeniero  civil químico UdeC y CEO de Ciclos Plásticos SpA, junto a la guía de la docente PhD. Teresita Marzialetti, están desarrollando Lignyl: un nuevo  material bio basado a partir de lignina —biopolímero de la madera y principal residuo de la industria de la celulosa— para la manufactura de un material de alto rendimiento mecánico, compatible con procesos de modelado por deposición fundida (FDM). La tecnología más empleada en impresión 3D.

Acorde a los resultados de las pruebas del material, Lignyl posee mayor resistencia a la deformación (+20 %), mayor procesabilidad (+63 %), menor temperatura de procesamiento (-20°C), menor absorción de humedad (-20 %) y menor costo de materias primas (-40 %), respecto a su competencia, siendo “el primer filamento de impresión de grado industrial fabricado en Latinoamérica, y el primero de origen bio basado a nivel mundial”, como describen.

El producto, señalan sus autores, se encuentra en fase de desarrollo TRL4, contando con resultados de laboratorio. Anteriormente, este proyecto se financió con un premio de USD $700, obtenido del concurso de innovación tecnológica Desafío High Tech de empresas CMPC y recibió ayuda de la incubadora de la Universidad de Concepción, Incuba UdeC. También contó con el respaldo de doctores en la materia y en el área de biomateriales de la unidad de desarrollo tecnológico (UDT) de la UdeC.

Potenciales aplicaciones

Eduardo Rojas tiene experiencia en el estudio de la lignina y en el análisis y producción de termoplásticos. En cuanto a las potenciales aplicaciones de Lignyl, explica que “particularmente, nuestro producto está enfocado para su uso en impresoras 3D de filamento fundido (FDM), que utilizan como materia prima un polímero termoplástico. Son las impresoras 3D de mayor existencia, debido a que son las más baratas del mercado y son fáciles de utilizar”. En gamas más altas, agrega, “pueden trabajar a mayor temperatura y, por tanto, con una mayor cantidad de materiales, como plásticos de ingeniería o de grado industrial, con mayor resistencia térmica, química y mecánica. Por lo que, actualmente, son ampliamente utilizadas para la fabricación de piezas y repuestos industriales en distintos rubros”.

Una ventaja adicional de este método de fabricación radica en la capacidad de utilizar “fibras para el refuerzo de materiales termoplásticos, permitiendo lograr niveles de resistencia comparables a materiales de acero, con solo una fracción de su peso”. Esto es ampliamente valorado en rubros como el automotriz, aeroespacial, marítimo, aeronáutico y robótico, ya que permite un ahorro energético a largo plazo, manteniendo la calidad estructural del material.

Sin embargo, según Rojas, la gran desventaja existente “es la ausencia de materiales renovables que puedan ser utilizados en aplicaciones de alto rendimiento, debido a que las alternativas biobasadas existentes no cumplen los niveles de resistencia térmica, química, y mecánica que actualmente son requeridos, por lo que actualmente solo sirven para fines recreacionales”. 

Es por esto que el filamento biobasado a partir de lignina, creado por los ingenieros de la UdeC, pretende responder a la necesidad de este mercado, siendo una alternativa renovable, capaz de lograr altos niveles de calidad requeridos y a menor costo, aprovechando un residuo ampliamente disponible en el rubro forestal-maderero de nuestro país. 

Proceso de elaboración

Años de investigación y pruebas en laboratorio, hacen entender a Rojas que la lignina en sí ya es un polímero termoplástico, aunque uno de muy baja resistencia y muy difícil de procesar. Por tanto, no puede usarse directamente para aplicaciones. “Lo que nosotros nos encontramos realizando es un compuesto termoplástico que utilice esta lignina, mejorando sus propiedades para que pueda ser eficientemente utilizada en procesos de extrusión de plásticos, tanto para fabricación del filamento a partir de este material, como de su correcta extrusión a través de la boquilla de la impresora 3D”, explica. 

Para ello, se enfocan en optimizar “tanto su procesabilidad como las propiedades mecánicas del material, para de esta forma poder obtener un filamento que pueda ser utilizado en cualquier tipo de impresora FDM, pero que al mismo tiempo, pueda aportar propiedades que solo se consiguen con los filamentos de alto rendimiento disponibles en el mercado”. 

Experiencia en la SDLM 2020

Con Lignyl, Eduardo Rojas y Giovanni Espinoza obtuvieron una mención honrosa por parte del jurado en el Wood Startup Challenge 2020, uno de los concursos de Madera21 en la Semana de la Madera. Rojas considera que su proyecto posee potencial para innovar en la industria maderera chilena, debido a que la lignina “corresponde a un 1/3 de la composición de la madera y es el segundo biopolímero más abundante del planeta, pero que actualmente es subvalorizado como combustible de caldera con un bajo valor agregado (< 0.2 USD/kg)”. 

La capacidad de utilizar este biopolímero “en la confección de materiales de alto rendimiento y alto valor agregado (> 100 USD/kg), permite repensar la forma en la que actualmente estamos aprovechando este recurso, considerando que Chile es uno de los principales exportadores de celulosa a nivel mundial, y que solo en la Región del Bíobío se generan más de 2.000 millones de toneladas anuales de lignina Kraft como subproducto”.

“Resulta tremendamente atractivo pensar en los beneficios que puede entregar su aprovechamiento en nuevos y mejorados productos para Chile y el mundo”, concluye Eduardo Rojas. 


Escrito por Diego Zúñiga
Fotografía principal cortesía UDT

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