Im Video wird das neue Leichtbau-Material Woodmimetics3D auf Holzbasis kurz vorgestellt.

Bild: Universität Freiburg / Video: Leichtbau BW

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Additive Fertigung Holzpaste ermöglicht umweltfreundlichen 3D-Druck

03.11.2020

In Freiburg ist ein additiver Werkstoff entwickelt worden, mit dem sich biologisch abbaubare Leichtbauteile drucken lassen. Die Paste basiert zu großen Teilen auf Lignin, einem Abfallprodukt aus der Papierherstellung, das so auf völlig neue Weise verwertet werden könnte.

Forschern der Universität Freiburg und des Freiburger Materialforschungszentrums ist es gelungen, eine holzbasierte Biopaste für den 3D-Druck zu entwickeln. Woodmimetics3D ist ein wahres Leichtgewicht und soll auch in der Herstellung ökonomisch wettbewerbsfähig sein.

„Wir nennen das neue Material Biotinte, weil wir damit drucken können. Allerdings drucken wir nicht auf Papier, sondern dreidimensional“, sagt Lisa-Sophie Ebers, Doktorandin an der Universität Freiburg. Die polymere Paste lässt sich im Direct Ink Writing verarbeiten und soll großes Potenzial für den Leichtbau liefern. Entwickelt wurde sie mit bionischen Ansätzen.

Durchgängige Kreislaufwirtschaft

Der Biowerkstoff besteht ausschließlich aus holzbasierten Rohstoffen. Konkret enthalten sind Lignin und Hydroxypropylcellulose, ein aus der Pharma-, Kosmetik und Lebensmittelindustrie bekannter Zusatzstoff (E463). Hinzu kommen Wasser, Ethanol und Essigsäure als Lösungsmittel.

„Wir erwarten, dass Woodmimetics3D einen vorteilhaften ökologischen Fußabdruck hat, da die verwendeten Rohstoffe nachwachsend und die Materialien zudem am Ende des Lebenszyklus biologisch abbaubar sind“, zeigt sich Prof. Marie-Pierre Laborie von der Professur für Forstliche Biomaterialien an der Universität Freiburg überzeugt.

Das Material ist nicht nur biobasiert, sondern auch zu 100 Prozent abbaubar. Untersucht wurde das mithilfe von Pilzen; die biologische Abbaubarkeit zeigte Ähnlichkeiten mit der von PLA (Polylactiden). Somit ließen sich die Bauteile nach dem Ende ihrer Lebensdauer wieder dem Stoffkreislauf zuführen.

Neue Möglichkeiten für Holz- und Papierindustrie

Verglichen mit den wenigen kommerziellen Lignin-basierten Produkten besitzt Woodmimetics3D mit bis zu 50 Prozent einen hohen Anteil an Lignin. Da der Rohstoff bei der Papierherstellung als Abfallprodukt anfällt und derzeit 98 Prozent davon verbrannt werden, eröffnet die Biopaste hier neue Möglichkeiten bei der Verwertung.

Woodmimetics3D könnte damit eine Schlüsselrolle in der Bioökonomie einnehmen, vor allem in Baden-Württemberg. Denn durch den Waldreichtum und die Nähe zum Rohstoff Holz ist das Bundesland einer der wichtigsten Standorte für die Holz- und Papierindustrie.

Verarbeitung bei Raumtemperatur

Ein weiterer Vorteil der Biopaste ist, dass zum Verarbeiten des Materials nur wenig Energie aufgewendet werden muss. Denn Woodmimetics3D besitzt für das Direct Ink Writing besonders vorteilhafte rheologische Eigenschaften. Ebers erklärt: „Beim 3D-Druck verringert sich die Viskosität des Werkstoffs allein durch die Scherbeanspruchung während des Prozesses. Deshalb können wir das Material bei Raumtemperatur verarbeiten.“

Für technische Bauteile aus dem holzbasierten Rohstoff spielt außerdem die Haftung der Filamente untereinander eine wichtige Rolle. Sie ist für die mechanischen Eigenschaften des Bauteils entscheidend. Bei Woodmimetics3D lässt sich dieser Parameter durch das Verhältnis zwischen Lösungsmittel und Feststoffen einstellen. Das bringt viele Vorteile für den Leichtbau.

Potenzial für den Leichtbau

Der große Vorteil von Woodmimetics3D im Leichtbau ist seine geringe spezifische Dichte von 0,7 kg/m3. Der Werkstoff ist somit leichter als viele Metalle oder erdölbasierte Polymere. Zudem lassen sich mit ihm Lattice-Strukturen im 3D-Druck herstellen und so das Gewicht der Bauteile weiter reduzieren.

Das Material bietet sich so als nachhaltige Alternative in vielen Leichtbau-Anwendungen an. Denkbar sind zum Beispiel Verbindungsteile in Leichtbau-Konstruktionen oder Formteile zum Einsatz in der Konsumgüter-, Automobil- und Luftfahrt-Branche. Aufgrund der mechanischen Eigenschaften sind auch Anwendungen als Schutzausrüstung, wie beispielsweise individualisierte Helme, denkbar.

Außerdem könnten, um den CO2-Fußabdruck eines Produkts zu reduzieren, Teile aus Woodmimetics3D solche auf Erdöl-Basis in Innenräumen von Automobilen und Flugzeugen ersetzen. Die gewünschte Struktur kann der geplanten Form und Funktion folgend digital entwickelt werden, ohne dass Investitionskosten für Produktionsmittel anfallen.

Aktuell sucht das Freiburger Forschungsteam Industriepartner für mögliche Anwendungen, um gemeinsam die technologische Entwicklung voranzutreiben.

Woodmimetics3D wurde von der Wirtschafts- und Wissenschaftsförderung Leichtbau BW im Rahmen ihres „ThinKing“ vorgestellt. Das Label gibt Leichtbau-Projekten aus Baden-Württemberg monatlich eine Plattform.

Bildergalerie

  • Woodmimetics3D besteht ausschließlich aus biologischen Rohstoffen wie Hydroxypropylcellulose, Lignin, Essigsäure und Wasser.

    Bild: Universität Freiburg

  • Mit der Paste lassen sich auch komplexe Lattice-Strukturen im 3D-Druck-Verfahren herstellen.

    Bild: Universität Freiburg

  • Der zähflüssige Werkstoff ist leicht zu verarbeiten und härtet nach dem Drucken schnell aus.

    Bild: Universität Freiburg

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