Foto: Universität Freiburg

Forschung

Vom Holz zur Bio-Tinte für 3D-gedruckte Leichtbau-Teile

Thin-King Novemver 2020: Das holzbasierte Biopolymer Woodmimetics-3D lässt sich energieeffizient im 3D-Druck für Leichtbauanwendungen verarbeiten.

Forschern der Universität Freiburg und des Freiburger Materialforschungszentrums ist es jetzt gelungen, nach den Prinzipien des Green Engineering eine holzbasierte Biopaste für den 3D-Druck im Leichtbau zu entwickeln: Selbst ein Leichtgewicht lässt sich Woodmimetics-3D energieeffizient im 3D-Druck verarbeiten – und ist zudem in der Herstellung ökonomisch wettbewerbsfähig. Die Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg präsentiert diese Innovation mit ihrem Thin-King im November 2020. Mit diesem Label gibt die Leichtbau BW GmbH monatlich innovativen Produkten oder Dienstleistungen im Leichtbau aus Baden-Württemberg eine Plattform.

Biopolymer mit viel Potential für den 3D-Druck 

„Wir nennen das neue Material Bio-Tinte, weil wir damit drucken können. Allerdings drucken wir nicht auf Papier, sondern dreidimensional“, erzählt Lisa-Sophie Ebers, Doktorandin an der Universität Freiburg. „Der neue Werkstoff, eine polymere Paste, lässt sich im Direct Ink Writing zu leichten Bauteilen verarbeiten“, erklärt Ebers weiter. Der holzbasierte Werkstoff Woodmimetics-3D ist Gegenstand ihrer Dissertation und hat viel Potential für den Leichtbau. Seine Entwicklung folgte bionischen Ansätzen.

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Ein Werkstoff für Cradle-to-Cradle

„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, Professur für Forstliche Biomaterialien an der Universität Freiburg, von der nachhaltigen Entwicklung überzeugt. Der Bio-Werkstoff enthält ausschließlich holzbasierte Rohstoffe: Lignin und Hydroxypropylcellulose – ein aus der Pharma-, Kosmetik und Lebensmittelindustrie bekannter Zusatzstoff (E463) – sowie Wasser, Ethanol und Essigsäure als Lösungsmittel. 
Das Material ist deshalb nicht nur biobasiert, sondern auch zu 100 % abbaubar. Die biologische Abbaubarkeit wurde mit Hilfe von Pilzen untersucht und zeigt mit der Abbaubarkeit von PLA (Polylactiden) vergleichbare Ergebnisse. Somit könnten auch die Bauteile nach Ende der Lebensdauer dem Stoffkreislauf wieder zugeführt werden. Verglichen mit den wenigen kommerziellen Lignin-basierten Produkten besitzt Woodmimetics-3D mit bis zu 50 % einen hohen Anteil an Lignin. Da dieser Rohstoff bei der Papierherstellung als Abfallprodukt anfällt und derzeit 98 % davon verbrannt werden, eröffnet die Biopaste völlig neue Wege der Verwertung. Somit könnte Woodmimetics3D eine Schlüsselrolle in der Bioökonomie einnehmen, vor allem in Baden-Württemberg. Denn durch den Waldreichtum und die Nähe zum Rohstoff Holz ist Baden-Württemberg für die Holz- und Papierindustrie einer der wichtigsten Standorte. 

Kostengünstig und energieeffizient zu verarbeiten

Ein weiterer wirtschaftlicher Pluspunkt ist, dass zum Verarbeiten des Materials nur wenig Energie aufgewendet werden muss, denn Woodmimetics3D besitzt für das Direct Ink Writing besonders vorteilhafte rheologische Eigenschaften. „Beim 3D-Druck verringert sich die Viskosität des Werkstoffs allein durch die Scherbeanspruchung während des Prozesses. Deshalb können wir das Material bei Raumtemperatur verarbeiten“, erzählt Ebers. Für technische Bauteile aus dem holzbasierten Rohstoff spielt außerdem die Haftung der Filamente untereinander eine wichtige Rolle, die für die mechanischen Eigenschaften des Bauteils entscheidend ist. Bei Woodmimetics3D kann dieser Parameter durch das Verhältnis zwischen Lösungsmittel und Feststoffen eingestellt werden. 

Leichtbaupotential à la carte

Im Leichtbau hat Woodmimetics3D deshalb ein hohes Potenzial für semi-strukturelle und strukturelle Anwendungen. Sein großer Vorteil ist die geringe spezifische Dichte von 0,7 kg/m3. Der Werkstoff ist somit leichter als viele Metalle oder erdölbasierte Polymere. Zudem lassen sich mit der Biopaste Lattice-Strukturen im 3D-Druck herstellen, und so das Gewicht der Bauteile weiter reduzieren. Das Material bietet sich deshalb als nachhaltige Alternative in vielen Leichtbau-Anwendungen an – dank der Design- und Form-Flexibilität durch das Verarbeiten im 3D-Druck. 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-Footprint eines Produkts zu reduzieren – Teile aus Woodmimetics-3D bestimmte Formteile auf Erdöl-Basis in Innenräumen von Automobilen und Flugzeugen ersetzen. 
Die gewünschte Woodmimetics-3D Struktur kann der geplanten Form und Funktion folgend digital entwickelt werden, ohne dass Investitionskosten für Produktionsmittel anfallen. Das Forschungsteam sucht jetzt Industriepartner für mögliche Anwendungen, um gemeinsam die technologische Entwicklung voranzutreiben.