3D-Druck mit biobasiertem Polymer für CO2-neutrale Fertigungsverfahren

Kunststoffe sind aus unserer modernen Welt nicht mehr wegzudenken. Leider haben sie Schattenseiten: die CO2-Freisetzung bei Produktion und Verbrennung, die Ausbeutung der fossilen Rohstoffe, das Anwachsen der Abfallberge. Einen Weg in eine andere Richtung stellen russische Wissenschaftler vor: Ein vollständig aus Biomasse gewinnbares Polymer, das sich einfach und kostengünstig per 3D-Druck verarbeiten lässt. Die so hergestellten Objekte sind qualitativ hochwertig, problemlos recycelbar und hoch lösemittelbeständig.

Bei herkömmlichen „subtraktiven“ Verfahren wird geschnitten, gesägt, gedrechselt und gefräst – entsprechend viel Material fällt als Abfall an. 3D-Druckverfahren sind vom Prinzip her abfallfrei, denn es handelt sich um „additive“ Produktionsmethoden: Dreidimensionale Objekte entstehen durch schichtweisen Auftrag des Materials.

Empfindlichkeit gegenüber organischen Lösemitteln

Die gängigste Variante ist das sogenannte Schmelzschichten (Fused Deposition Modeling, FDM): Ein Rohmaterial wird durch eine heiße Düse auf eine bewegliche Unterlage gepresst und dadurch verflüssigt (Extrusion). Der Druckkopf fährt die einprogrammierte Form wie bei einem herkömmlichen zweidimensionalen Druckvorgang ab und scheidet dabei – statt Tinte – kleine Mengen eines Polymers ab. Dies wird Schicht für Schicht wiederholt, bis das gewünschte dreidimensionale Objekt fertig ist.

Die bisher verwendeten Polymere haben jedoch eine Reihe von Nachteilen, die ihren Einsatz limitieren. So sind einige der Polymere gegenüber organischen Lösemitteln empfindlich. Die lösemittelbeständigen haften dafür schlecht und schrumpfen beim Erhitzen stark, sodass sich Schichten ablösen können und Fehler während des Druckens auftreten.

Herstellung aus Cellulose

Die Forscher um Valentin P. Ananikov von der Russischen Akademie der Wissenschaften in Moskau haben diese Probleme jetzt gemeistert und gleichzeitig ein nachhaltiges Verfahren entwickelt: Den 3D-Druck mit Polyethylen-2,5-furandicarboxylat (PEF), einem Polymer, das sie aus Cellulose herstellten.

Der 3D-Druck gelang dem Team auf einfache Weise mit einem handelsüblichen 3D-Drucker unter Standard-Einstellungen. Die einzelnen Lagen der gedruckten Objekte waren fest miteinander verbunden und ihre Oberfläche wirkte glatt und hochwertig. Im Test zeigten sich die Objekte hoch beständig gegenüber Methylenchlorid, einem der aggressivsten Lösungsmittel. Dank der hohen Temperaturstabilität des PEF ließen sich die gedruckten Objekte ohne Qualitätsverluste immer wieder schmelzen, zu Filamenten verarbeiten und erneut drucken.

Neuartige Strukturtypen

Computerberechnungen ergaben, dass die einzelnen Bausteine des PEF-Bereiche enthalten, die nicht linear sind, sondern spiralig verdreht. So werden neuartige Strukturtypen zugänglich. Eine weitere wichtige Eigenschaft ist die vergleichsweise hohe Polarität von PEF. Die Forscher sind zuversichtlich, dass sich PEF dank seiner interessanten Eigenschaften weitere Anwendungsfelder erobern kann.

Die Studie wurde veröffentlicht in Angewandte Chemie Nr. 44/2017.