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3D-Druck ist eine vielseitige Methode, um schnell und präzise Bauteile aller Art herzustellen. Daher kommt die Technologie in der Industrie und zunehmend auch im privaten Bereich zum Einsatz. Da die verwendeten Tinten jedoch meist auf erdölbasierten Kunststoffen basieren, gilt der 3D-Druck bislang als nur begrenzt nachhaltig. Ein Forschungsteam hat nun ein komplett recycelbare Tinte entwickelt, die zum größten Teil aus dem Holzbestandteil Lignin gewonnen wird.
3D-Druck gehört zu den additiven Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing, AM), bei denen digitale Modelle schichtweise zu dreidimensionalen Objekten aufgebaut werden. Besonders verbreitet ist dabei das sogenannte „Direct Ink Writing“ (DIW), ein Extrusionsverfahren, bei dem Tinten durch feine Düsen gepresst werden und in der gewünschten Form erstarren.
Damit das funktioniert, müssen diese Materialien ganz bestimmte Fließeigenschaften besitzen: Sie sollen sich unter Druck leicht verformen und nach dem Austritt aus der Düse schnell fest werden. Besonders Tinten aus fossilen Polymeren eignen sich dafür, sind aber weder recycelbar noch biologisch abbaubar. Damit der 3D-Druck zuverlässig funktioniert, sind zudem meist hohe Temperaturen oder chemische Reaktionen nötig, die sich nicht rückgängig machen lassen. Die gedruckten Objekte können anschließend in der Regel nicht wiederverwendet oder neu verarbeitet werden und sind damit weniger nachhaltig als erhofft. All dies macht die Suche nach nachhaltigen Alternativen schwierig.
Abfallprodukt bekommt neues Leben
Ein Forschungsteam um Maria Balk vom Helmholtz-Zentrum Hereon hat sich diesem Problem angenommen und nun eine vollständig recycelbare Tinte für den 3D-Druck entwickelt. Kernbestandteil der neuen Drucktinte ist Lignin, ein von Pflanzen für ihre verholzten Gewebe produzierter Rohstoff, der in großen Mengen als Nebenprodukt der Papier- und Holzverarbeitung anfällt.. Im Gegensatz zu bisherigen ligninbasierten Tinten härtet die neu entwickelte Formulierung ohne chemische oder thermische Nachbehandlungen aus.
Während des 3D-Drucks fließt das Material leicht durch die Düsen und gewinnt anschließend im Ruhezustand schnell wieder an Festigkeit. Die zu 70 Prozent aus diesem Holzinhaltsstoff bestehende Tinte ermöglicht dadurch den Druck von Objekten mit hervorragender Auflösung und hoher Formstabilität bei Temperaturen von bis zu 200 °C. „Wir wollten zeigen, dass auch Abfallmaterialien wie Lignin den technischen Anforderungen des modernen 3D-Drucks gerecht werden und zugleich die Nachhaltigkeit verbessern“, erklärt Balk. „Zu diesem Zweck haben wir ein industrielles Abfallprodukt in eine 3D-Drucktinte umgewandelt, die sich durch einfaches Zugeben von Wasser vollständig recyceln lässt.“
Ein vielversprechender Ansatz für die Zukunft
Die neu entwickelte 3D-Drucktinte auf Ligninbasis eröffnet neue Möglichkeiten für einen nachhaltigeren 3D-Druck verschiedenster Objekte, von maßgeschneiderten Produktprototypen bis hin zu Bauteilen für ganz unterschiedliche Technologien, wie das Team erklärt. Gleichzeitig zeigt die Entwicklung ihren Angaben zufolge das große Potenzial industrieller Reststoffe. Materialien wie Lignin, die sonst als Abfall gelten, lassen sich wiederverwerten. Für eine Branche, die unbedingt umweltfreundlichere Lösungen braucht, ist das ein vielversprechender Ansatz.
Die recycelbare Tinte soll nun weiter optimiert und umfangreich getestet werden, um eine Markteinführung vorzubereiten. „Wir wollen den Prozess weiter skalieren und Anwendungsfelder untersuchen – besonders in Bereichen, in denen energiearme Verarbeitung und Recycelbarkeit bedeutsam sind“, sagt Balk.
Quelle: Helmholtz-Zentrum Hereon; Fachartikel: ACS Sustainable Chemistry & Engineering, doi: 10.1021/acssuschemeng.5c07974
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