Кавові відходи для 3D-друку: інноваційна альтернатива для екологічного виробництва

Дослідники з Вашингтонського університету представили унікальну технологію 3D-друку, яка може змінити підхід до виготовлення екологічних матеріалів. Вони створили біокомпозитний матеріал на основі міцелію, використовуючи кавові відходи як основний компонент. Ця методика дозволяє друкувати складні форми без потреби у традиційних жорстких формах, що значно спрощує процес виробництва та зменшує кількість відходів. Завдяки поєднанню біологічних матеріалів і адитивних технологій дослідники розробили міцний, водостійкий та гнучкий матеріал, який може стати чудовою альтернативою пластику для різних сфер застосування.

Проєкт очолювала Данлі Луо у співпраці з Джунчао Яном і Надєю Пік. Вони створили спеціальну 3D-друковану пасту під назвою Mycofluid, яка містить 73% відпрацьованої кавової гущі, рисове борошно для живлення міцелію та ксантанову камедь, що забезпечує необхідну в’язкість. Завдяки ретельно підібраному складу паста має оптимальну текстуру для друку, легко стерилізується і дозволяє міцелію ефективно колонізувати матеріал. Важливою перевагою є використання кавових відходів, які вже давно застосовуються для вирощування грибів у сільському господарстві. Це робить процес не лише екологічно безпечним, а й доступним за собівартістю.

Для друку дослідники розробили спеціальну систему під назвою Fungibot. Це відкритий програмний комплекс для роботи з біоматеріалами, чутливими до вологості. Установка містить резервуар для матеріалу та легку екструзійну друкуючу голівку з гвинтовим механізмом подачі. Вартість усієї системи складає приблизно 1 700 доларів, що набагато дешевше за традиційні промислові 3D-принтери, ціна яких може перевищувати 7 000 доларів. Завдяки цьому технологія стає доступною для ширшого кола дослідників і виробників, які шукають екологічні рішення для 3D-друку.

Після друку готові конструкції проходять інкубаційний період, протягом якого міцелій розростається всередині матеріалу, зміцнюючи його структуру. Для інокуляції було обрано гриб Рейші (Ganoderma lucidum), відомий своєю стійкістю до мікробного забруднення. Процес колонізації триває понад тиждень і потребує суворого контролю рівня вологості, циркуляції повітря та освітлення. Однією з ключових переваг технології є біозварювання – природний процес, під час якого міцелій з’єднує окремі частини друкованої структури, створюючи єдину міцну поверхню. Це дозволяє виготовляти великі або складні форми без додаткового склеювання або механічного з’єднання.

Механічні випробування матеріалу показали, що після колонізації міцелієм він набуває унікальних фізичних властивостей. Гідрофобність матеріалу суттєво покращується: контактний кут води на поверхні складає 138°, що значно зменшує водопоглинання. Неколонізовані зразки вбирали 65% вологи від власної ваги, тоді як колонізовані – лише 7%, що робить їх більш довговічними у вологому середовищі. Тестування на міцність показало, що максимальна межа розриву Mycofluid до колонізації складала 3.21 МПа, але після розростання міцелію вона знизилася до 1.41 МПа. Водночас пластичність матеріалу значно покращилася – подовження при розриві збільшилося вдвічі, що зробило його менш крихким і більш гнучким. У тестах на стиснення колонізовані біокомпозити показали вищу міцність у порівнянні з аналогами, виготовленими лише з кавової гущі, які були схильні до крихких руйнувань.

Дослідники також продемонстрували практичні можливості цієї технології, надрукувавши різноманітні об'єкти: від скульптур і ваз до упаковки, що біологічно розкладається. 

Попри перспективність, технологія має певні виклики. Одним із ключових є необхідність суворого дотримання стерильності під час друку та інкубації, оскільки будь-яке бактеріальне або грибкове забруднення може вплинути на якість матеріалу. Також свіжонадруковані структури залишаються крихкими до завершення процесу колонізації, що потребує обережного поводження. Ще одним обмеженням є час виробництва – на повне формування структури потрібно понад тиждень, що поки що обмежує масштаби виробництва.

Незважаючи на ці труднощі, дослідники впевнені, що майбутнє біокомпозитного 3D-друку дуже перспективне. Вони планують вдосконалити процес шляхом прискорення інкубації, розширення асортименту біомасових субстратів та автоматизації контролю якості. Важливим напрямом розвитку є також вивчення можливостей компостування та аналіз довговічності таких матеріалів у різних умовах експлуатації.

Технологія 3D-друку біокомпозитів на основі міцелію та кавових відходів демонструє новий підхід до екологічного виробництва, який може кардинально змінити індустрію. Вона не лише зменшує залежність від пластику, а й відкриває нові горизонти для гнучкого та сталого дизайну. У майбутньому подібні матеріали можуть використовуватися в пакуванні, будівництві, виготовленні меблів та навіть біомедичних виробах, забезпечуючи екологічно чисті рішення  для багатьох галузей.