7 August 2020

Innovative Werkstoffe: Abbaubare Biopolymere für 3D-Druck und Mikro-Spritzguss

Kooperationsprojekt untersucht das Verhalten diverser Naturfasern im 3D-Druckprozess

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Für immer mehr fossile Kunststoffe gibt es eine grüne Alternative. Beispielsweise sind 3D-Drucker-Filamente aus PLA schon seit geraumer Zeit im Einsatz. Die Forschung auf dem Gebiet der Biopolymere konzentriert sich jetzt auf die Entwicklung naturfaserverstärkter biobasierter Kunststoffe, die biologisch abbaubar sind, für die industrielle Anwendung im 3D-Druck und Mikrospritzguss. Dabei arbeiten niederländische und deutsche Unternehmen und Institutionen zusammen, unterstützt von der EU und der EDR.

3D-Druck und Mikro-Spritzgießen sind verschiedene hochpräzise Fertigungstechniken, die jedoch beide mit Thermoplasten arbeiten: mit Kunststoffen, die beim Erwärmen weich werden. Der 3D-Druck ist eine additive Technik, bei der Objekte Schicht für Schicht aufgebaut werden. Es ist eine langsame Produktionsmethode, besonders geeignet für Einzelstücke und Prototypen. Beim Mikrospritzgießen wird das Polymer über eine kleine Düse in eine Form gespritzt. Diese Technik ist schneller, führt zu einer höheren mechanischen Festigkeit und ist besonders für die Serienproduktion geeignet.

Neben der mechanischen Festigkeit ist jedoch auch Flexibilität erforderlich. „Die Zugabe von Fasern sorgt dafür, dass das Material fester wird und im Drucker nicht bricht”, sagt Hansjörg Wieland. Er ist Projektkoordinator des 3N-Kompetenzzentrums Nachwachsende Rohstoffe und Bioökonomie in Werlte (Deutschland).

„Das Biopolymer und die Fasern werden in einem Compounder dosiert, gemischt und granuliert. Das Granulat kann dann in einer Mikro-Spritzgießmaschine verwendet werden. Oder ein Extruder wird zur Herstellung eines Fadens für den 3D-Druck verwendet. In diesem Fall ist eine andere Zusammensetzung erforderlich. Dies hat mit dem Schmelzpunkt und der Kristallisationsgeschwindigkeit zu tun. Beim Mikro-Spritzgießen ist die Menge und Größe der Fasern begrenzt; die Düse ist sehr klein.”

Welche Naturfasern eignen sich für diese Techniken? Wieland: „Zunächst untersuchten wir Fasern aus dem Gartenbau, wie Tomatenpflanzen, Gras, Holz und Hanf, aber auch Zuckerrüben und Erbsen. Gegenwärtig konzentrieren wir uns hauptsächlich auf Baumwollfasern, die aus Restströmen aus der Textilindustrie stammen. Dabei handelt es sich um sehr dünne Zellulosefasern mit einer Länge von 5 bis 6 Zentimetern. Darüber hinaus verwenden wir Wollfasern, einen Reststrom aus der Garnspinnerei. Und auch Seidenfasern, bei denen es sich um Proteinfasern mit einer Länge von etwa 10 cm handelt. Unsere Forschung konzentriert sich darauf, festzustellen, wie unterschiedlich all diese Fasern sind, wenn wir sie für den 3D-Druck verwenden.”

Übrigens sind nicht alle Geräte für die Verarbeitung solch langer Fasern geeignet. 3N verfügt über eine Maschine für diesen Zweck, aber die niederländischen Projektpartner Millvision und NHL Stenden in Emmen können nur Mikrofasern verarbeiten. Im Rahmen der Projekte 3D-Druck und Mikrospritzguss werden beide Varianten untersucht.

Laut Wieland verlaufe die grenzübergreifende Zusammenarbeit zwischen deutschen und niederländischen Organisationen ausgezeichnet. „Dank eines breiten Spektrums an Fachwissen und Einrichtungen ergänzen wir uns gut. Millvision liefert die Fasern, 3N und NHL Stenden stellen die Verbindungen her und produzieren die Filamente. Zusammen mit HP Moulding hat das NHL ein Computermodell zur Berechnung der Scherkräfte erstellt und produziert so genannte Zugstäbe, mit denen an der Hochschule Bremen getestet wird, wie sich das Material unter realen Bedingungen, beispielsweise unter physikalischer Belastung, verhält. Aus diesen Testergebnissen können wir ableiten, für welche Anwendungen das Material geeignet wäre. Unser Projektpartner IST-Ficotex liefert Materialien und hilft uns mit Informationen über die Polymer-/Fasermischungen.”

Beide Projekte erzielen bereits vielversprechende Ergebnisse. Im vergangenen Jahr wurden beispielsweise die biobasierten 3D-Drucker-Filamente beim Wettbewerb um den Bre3D Award in Bremen mit dem zweiten Preis in der Kategorie Rohstoffe und Materialien ausgezeichnet. Die Jury war begeistert von der Verarbeitbarkeit und den mechanischen Eigenschaften dieser Filamente, die noch besser sind als kommerzielle Filamente aus ABS oder Holz. Die neuen Materialien und die neue Drucktechnik können für spezielle Anwendungen eingesetzt werden, wie z.B. Teile von Filmprojektoren und Kleiderhaken. PLA und PHA sind immer noch relativ teuer, aber laut Wieland werden die Unternehmen bereit sein, für hochwertige Produkte, bei denen die Abbaubarkeit von entscheidender Bedeutung ist, einen Mehrpreis zu zahlen.

„Dies ist zum Beispiel bei Anwendungen der Fall, bei denen die Gefahr besteht, dass Mikrokunststoffe in die Umwelt gelangen. Gemeinsam mit einem Unternehmen haben wir zum Beispiel eine Spezialmischung für Landmaschinen mit vielen äußeren, schnell verschleißenden Teilen entwickelt. Dies wird derzeit getestet.
Ein ganz anderes Produkt sind PHA-Kaffeebecher, die von HP Moulding hergestellt werden.”

Gesichtsschutzschilde

„Aufbauend auf unseren Erfahrungen mit erneuerbaren Materialien im Rahmen des Projekts stellen wir derzeit auch Halterungen für Gesichtsschutzschilde gegen Corona-Infektion mittels 3D-Druck und Spritzguss mit Biopolymeren her, die auch mit Naturfasern verstärkt sind. Diese Schutzschirme werden kostenlos an Rettungsdienste, Pflegeheime und Arztpraxen verteilt.”

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Gesichtsschutzschilde wurden übergeben: (von links) Hermann Stevens (3N), Dietmar Tuchtenhagen (Malteser Hilfsdienst gGmbH) , Gerhard Wilkens (Ficotex)

Source: Bio-Ökonomie - Grüne Chemie (EU-Projektseite), Pressemitteilung, 2020-06-15.
Author: Pierre Gielen

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