📅 Data publikacji: 25.07.2025
W 2023 roku, w warszawskich laboratoriach Pracowni Materiałów Nowej Generacji na Politechnice Warszawskiej, dr hab. Anna Zielińska i jej zespół postanowili wyjść naprzeciw rosnącym oczekiwaniom ekologicznym oraz potrzebom zrównoważonego projektowania. Inspiracją stały się struktury roślin — lekka, ale wyjątkowo wytrzymała łodyga trzciny, elastyczne włókna z lnu oraz porowata budowa drewna. Dzięki fascynacji biomimetyką powstała idea stworzenia mieszanek polimerów i naturalnych włókien, które można formować w dowolne kształty metodą druku 3D. 🌳
Pierwszym krokiem było opracowanie bioaktywnych filamentów z polilaktydu (PLA) z dodatkiem mączki drzewnej i nanocelulozy. Zespół przeprowadził setki eksperymentów, zmieniając proporcje surowców i warunki ekstruzji: temperatura ekstrudera, prędkość skoku silnika, chłodzenie warstw. W rezultacie opracowano filament „BioWood”, składający się w 60% z polimeru pochodzenia roślinnego i w 40% z włókien drzewnych o średnicy 20–50 μm. Gotowy materiał emitował przy druku charakterystyczny zapach lasu, a wydruki cechowała przyjemna, ciepła struktura przypominająca naturalne drewno. 🌲
Dr Zielińska i jej doktoranci wykorzystali druk FDM do stworzenia prototypowych mebli miejskich — ławki o organicznych kształtach, która łączyła estetykę drewna z zaletami druku warstwa po warstwie. Wewnętrzna geometria absorbowała drgania, co zwiększało komfort siedzenia, a zewnętrzna powłoka była odporna na warunki atmosferyczne dzięki impregnacji naturalnymi olejami. Testy na zewnątrz, przeprowadzone przez cały rok, wykazały, że materiał nie pękał ani nie rozsypywał się pod wpływem wilgoci i promieni UV. ☀️
Równolegle z „BioWood” rozwijano filamenty wzbogacone włóknami lnianymi i konopnymi, nadającymi wydrukom wysoki współczynnik sztywności i niską wagę. Wykorzystano je do druku lekkich, złożonych elementów osłonowych w dronach badawczych, gdzie waga i wytrzymałość były kluczowe. Po zintegrowaniu z kamerą termowizyjną, kompozyt lniano-polistopowy okazał się idealny do misji monitoringu lasów i terenów mokradeł, bo był biozgodny i w razie absurdalnego upadku ulegał biodegradacji w glebie w ciągu kilku miesięcy. 🌾
W 2024 roku biokompozytowe filamenty trafiły do pierwszych wdrożeń przemysłowych. Firma EcoFab w Gdańsku wykorzystała „BioWood” do druku elementów mechatroniki rolniczej — lekkich uchwytów i osłon czujników w opryskiwaczach. Dzięki strukturze plastra miodu wewnątrz wydruku, czujniki miały doskonałą amortyzację drgań, a kompozyt zachował wytrzymałość przy naciskach do 15 MPa. Dodatkowo, naturalne włókna obniżyły przewodność cieplną, co chroniło elektronikę przed nadmiernym nagrzewaniem. 👨🌾
W laboratoriach Przemysłowego Centrum Badawczego w Katowicach przeprowadzono szczegółowe badania właściwości mechanicznych i termicznych. Wydruki z BioWood wytrzymywały 10 000 cykli zgniatania w teście dynamicznym, a ich udarność była porównywalna do drewna twardego. Badania DSC (różnicowa kalorymetria skaningowa) wykazały stabilność termiczną do 90 °C, natomiast analiza TGA (termograwimetria) potwierdziła stopniową degradację od 200 °C, przy czym proces biodegradacji w warunkach kompostowych trwał 4–6 tygodni. 🧪
Kolejnym punktem programu były biokompozyty do druku SLA (stereolitografii). Zespół Uniwersytetu Rzeszowskiego opracował żywicę zawierającą sproszkowany korek dębowy i ekstrakt roślinny, nadającą wydrukom niepowtarzalny, lekko ziarnisty wygląd. Modele architektoniczne, wykonane tą techniką, prezentowały fantastyczną fakturę, a ich powierzchnia odbijała światło podobnie jak naturalne drewno. Architekci wykorzystali je do makiet nowoczesnych willi, podkreślając związek budynków z otaczającą przyrodą. 🏡
W motoryzacji biokompozytowe panele wnętrz stosowano jako lekkie i dekoracyjne elementy drzwi oraz listew ozdobnych. Firma GreenDrive, testująca ekologiczne auta hybrydowe, wyposażyła prototypy w wydruki zlniano-PLA na desce rozdzielczej. Materiał wykazywał niski współczynnik ślizgu i przyjemną w dotyku fakturę. Wielkoskalowe testy drogowe potwierdziły trwałość przy drganiach i zmiennych temperaturach od -20 °C do +60 °C. 🚗
W 2025 roku, budując na dotychczasowych sukcesach, dr Zielińska zapowiedziała rozwój filamentów hybrydowych z alginatów morskich i nanocelulozy, zdolnych do samonaprawy drobnych pęknięć pod wpływem wilgoci. Pierwszy prototyp drukowanych rur kanalizacyjnych z takim kompozytem wykazał się samonaprawą szczelin do 0,2 mm w ciągu 24 godzin po zalaniu wodą. Ta technologia może zrewolucjonizować infrastrukturę wodociągową i sanitarną, eliminując mikrouszkodzenia bez ingerencji serwisu. 💧🔄
Drukowane biokompozyty znalazły również zastosowanie w medycynie regeneracyjnej — do druku rusztowań (scaffoldów) pod wzrost tkanek. Współpraca z Kliniką Chirurgii Plastycznej we Wrocławiu zaowocowała wydrukiem tymczasowego rusztowania z kompozytu chitozan-PLA, które po 6 miesiącach degradacji wspierało odrost nowej tkanki skórnej u pacjentów z oparzeniami. Badania histologiczne potwierdziły dobrą biozgodność i wsparcie procesu angiogenezy. 🩹
Na horyzoncie jest druk biokompozytów z wykorzystaniem biomateriałów wytwarzanych przy pomocy fermentacji mikrobiologicznej — na przykład PHA (polihydroksyalkaniany) oraz białek roślinnych. Te nowej generacji materiały oferują regulowaną biodegradację i właściwości mechaniczne zbliżone do tworzyw inżynieryjnych. Połączenie ich z technologią druku 3D stworzy zamknięty obieg materiałowy, gdzie każda wydrukowana część, po zakończeniu cyklu życia, zostaje przetworzona biologicznie lub mechanicznie i wykorzystana ponownie. 🔄🌐
Dr Zielińska podsumowuje:
„Biokompozyty to przyszłość projektowania, w której technologia służy naturze, a my czerpiemy inspirację z tego, co daje nam Ziemia. Dzięki drukowi 3D możemy tworzyć produkty lekkie, wytrzymałe i ekologiczne — to wielki krok ku zrównoważonej przyszłości.”🌏✨