Additive Fertigungsverfahren (AM) wie der 3D-Druck ermöglichen die Herstellung von Objekten mit unterschiedlichen Eigenschaften, um ein digitales Modell physisch zu produzieren. Die Verfahren werden für Produktprototypen sowie Bauteile für Fahrzeuge, Konsumgüter und medizintechnische Anwendungen genutzt. Eine besonders effektive AM-Technik ist das sogenannte Direct Ink Writing (DIW), bei dem Objekte bei Raumtemperatur mit speziell formulierten Tinten gedruckt werden können.
Die meisten dieser Tinten basieren auf fossilen Polymeren – Materialien, die oft weder recycelbar noch biologisch abbaubar sind. Tinten aus Lignin könnten eine nachhaltige Lösung darstellen. Allerdings erfordern sie meist hohe Temperaturen oder nicht umkehrbare chemische Prozesse, damit ein zuverlässiger 3D-Druck möglich ist. Dadurch lassen sich die gedruckten Objekte nicht wieder verwenden, wodurch sie wenig nachhaltig sind. Das ist nun anders: Etwa 70 Prozent der vom Hereon entwickelten Tinte bestehen aus Lignin, das bei der Papierherstellung anfällt oder direkt aus Biomasse gewonnen wird. Während des 3D-Drucks fließt die Tinte leicht durch die Düsen und gewinnt danach im Ruhezustand schnell wieder an Festigkeit. Im Gegensatz zu den anderen lignin-basierten Tinten härtet sie ohne chemische oder thermische Nachbehandlungen aus.
Nachhaltige Lösungen werden dringend gesucht
Das Team am Hereon-Institut für Funktionale Materialien für Nachhaltigkeit in Teltow ließ sich von der Idee leiten, dass nachhaltige Materialien kein Kompromiss sein müssen. „Wir wollten zeigen, dass auch Abfallmaterialien wie Lignin den technischen Anforderungen des modernen 3D-Drucks gerecht werden und zugleich die Nachhaltigkeit verbessern“, erklärt Dr. Maria Balk, eine der Hauptautorinnen der Studie. „Zu diesem Zweck haben wir ein industrielles Abfallprodukt in eine 3D-Drucktinte umgewandelt, die sich durch einfaches Zugeben von Wasser vollständig recyceln lässt.“
Prof. Francesca Toma, Leiterin des Hereon-Instituts für Funktionale Materialien für Nachhaltigkeit, hebt den übergeordneten Kontext hervor: „Industrielle Abfallströme sind eine bislang ungenutzte Möglichkeit. Lignin wird momentan kaum genutzt. Seine Umwandlung in ein vollständig recycelbares Material zeigt, wie Abfälle Innovationen in einer Industrie vorantreiben können, die dringend nachhaltige Lösungen braucht.“
Vollständige Recycelbarkeit für eine kreislauforientierte Fertigung
„Eine der spannendsten Erkenntnisse ist, dass die gedruckten Objekte mehrfach durch Zugabe von Wasser recycelt werden können, ohne an Leistungsfähigkeit zu verlieren“, erklärt Balk. „Dies ist in der additiven Fertigung bislang selten und eröffnet neue Perspektiven für eine kreislauforientierte Produktion. So lassen sich die CO2-Emissionen deutlich reduzieren.“
Die aktuellen Forschungsergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten für den nachhaltigen 3D-Druck einer Vielzahl von Objekten - darunter maßgeschneiderte Produktprototypen und Komponenten für die unterschiedlichsten Technologien. Die recycelbare Tinte soll nun weiter getestet und verbessert werden, um eine Markteinführung zu ermöglichen. „Wir wollen den Prozess weiter skalieren und Anwendungsfelder untersuchen – besonders in Bereichen, in denen energiearme Verarbeitung und Recycelbarkeit bedeutsam sind“, sagt Maria Balk.
Hintergründe: Helmholtz-Zentrum Hereon
Das Ziel der Wissenschaft am Helmholtz-Zentrum Hereon ist der Erhalt einer lebenswerten Welt. Dafür erzeugen rund 1.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter Wissen und erforschen neue Technologien für mehr Resilienz und Nachhaltigkeit – zum Wohle von Klima, Küste und Mensch. Der Weg von der Idee zur Innovation führt über ein kontinuierliches Wechselspiel zwischen Experimentalstudien, Modellierungen und künstlicher Intelligenz bis hin zu Digitalen Zwillingen, die die vielfältigen Parameter von Klima und Küste oder der Biologie des Menschen im Rechner abbilden. Damit wird interdisziplinär der Bogen vom grundlegenden wissenschaftlichen Verständnis komplexer Systeme hin zu Szenarien und praxisnahen Anwendungen geschlagen. Als aktives Mitglied in nationalen und internationalen Forschungsnetzwerken und im Verbund der Helmholtz-Gemeinschaft unterstützt das Hereon mit dem Transfer der gewonnenen Expertise Politik, Wirtschaft und Gesellschaft bei der Gestaltung einer nachhaltigen Zukunft.
