3D-Druckfarbe aus dem Wald

Um 3D-mikrostrukturierte Materialien etwa für Automobilkomponenten herzustellen, verwenden Forscher der Empa seit einem Jahr eine 3D-Druckmethode namens „Direct Ink Writing“ (DIW). Dabei wird eine zähflüssige Masse – die Druckfarbe – aus der Druckdüse gepresst und auf einer Oberfläche abgeschieden, in etwa so wie bei einer Nudelpresse. Zwei Forschenden aus der Abteilung für Angewandte Holzforschung ist es nun zusammen mit Kollegen der Harvard University und der ETH Zürich gelungen, eine neue, umweltfreundliche 3D-Druckfarbe aus Cellulose-Nanokristallen (CNC) zu entwickeln.

Erhöhter Anteil an Cellulose-Nanokristallen

Cellulose ist ein Biopolymer, das aus langen, in faserigen Strukturen organisierten Glukoseketten besteht. An einigen Stellen weisen die Fibrillen eine geordnetere Struktur auf. „Die Stellen mit höherer Ordnung erscheinen in kristalliner Form. Genau diese Abschnitte, die wir mittels Säure aufreinigen können, benötigen wir“, erklärt Forscher Gilberto Siqueira. Das Endprodukt sind Cellulose-Nanokristalle, stäbchenartige Gebilde von 120 nm Länge und 6,5 nm Durchmesser. Und genau daraus wollten die Forscher die neuartige, umweltfreundliche 3D-Druckfarbe entwickeln. Bisherige Druckfarben enthalten mit maximal 2,5 % CNC einen eher kleinen biologischen Anteil. Diese Menge konnte das Team auf 20 % erhöhen.

Visko-elastische Konsistenz erforderlich

„Die größte Herausforderung bestand darin, eine visko-elastische Konsistenz zu erreichen, die auch durch die Düsen des 3D-Druckers gepresst werden kann“, sagt Siqueira. Die Druckfarbe muss also zäh genug sein, damit das gedruckte Material auch vor dem Trocknen oder Härten in Form bleibt. Die ersten CNC-Mixturen basierten auf Wasser. Das funktioniert zwar grundsätzlich, lieferte jedoch ein recht sprödes Material. Daher haben die Forscher eine zweite Rezeptur auf Polymerbasis entwickelt – mit einem entscheidenden Vorteil: Nach dem Drucken und Aushärten mittels UV-Bestrahlung hatten sich CNC mit den Polymerbausteinen quervernetzt, wodurch das Verbundmaterial eine deutlich höhere mechanische Festigkeit aufwies.

Zusammenbringen, was sich nicht mag

Was sich im Nachhinein so einfach anhört, hat das Team indes eine Menge Kopfzerbrechen bereitet. Dazu Siqueira: „Die allermeisten Polymere sind wasserabweisend oder hydrophob, Cellulose hingegen wasserliebend – hydrophil. Folglich sind sie von Natur aus nicht sehr kompatibel.“ Daher mussten sie die CNC-Oberfläche zunächst einmal chemisch verändern.

Ausrichtung der Nanokristalle steuern

Nach den ersten Druckversuchen und der Röntgenanalyse der Mikrostrukturen ist den Forschern aufgefallen, dass sich die CNC im gedruckten Objekt nahezu perfekt in Druckrichtung ausgerichtet hatten. Daraus schlossen sie, dass die mechanische Kraft, mit der die Druckfarbe durch die Druckerdüse gedrückt wird, ausreicht, um diese derart zu ordnen. „Dass man die Ausrichtung der Nanokristalle steuern kann, ist sehr interessant, zum Beispiel, wenn man etwas drucken möchte, das eine spezifische Festigkeit in einer bestimmten Richtung haben soll“, sagt Siqueira.

Auch für Verpackungen interessant

Die hervorragenden mechanischen Eigenschaften sind ein entscheidender Vorteil gegenüber anderen Materialien, die ebenfalls in DIW-Inks verwendet werden. Kommt dazu, dass die neuartige Druckfarbe aus Cellulose als dem am häufigsten vorkommenden natürlichen Polymer der Erde besteht. Es ist nicht nur in Bäumen, sondern auch in Pflanzen und sogar in Bakterien zu finden. Die isolierten Kristalle unterscheiden sich dabei morphologisch und in ihrer Größe, nicht aber in ihren Eigenschaften. Und die könnten etwa in der Automobilindustrie oder für Verpackungen jeglicher Art interessant sein. „Das für mich wichtigste Anwendungsgebiet liegt aber in der Biomedizin, zum Beispiel für Implantate oder Prothesen“, sagt Siqueira. Diese Möglichkeiten werden an der Empa derzeit weiter erforscht. „Die Forschung auf diesem Gebiet beginnt gerade erst“, so Siqueira. „Drucken mit Biopolymeren ist zurzeit ein echt heißes Thema.“

Ein Video zeigt die neue 3D-Drucktechnik mit Cellulose-Nanokristallen.