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Bio-3D-Drucktinte Freiburger Forscher sind mit Woodmimetic3D auf dem richtigen „Holzweg“

Redakteur: Peter Königsreuther

Der Thinking November der Leichtbau-BW stellt eine holzbasierte Biopaste vor, mit der sich auch komplexe Strukturen aus Biokunststoff drucken lassen. Das steckt dahinter...

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Thinking im November: Mehr als eine holzbasierte Biotinte für das Robocasting ist Woodmimetics3D. Sie lässt sich gut 3D-drucken und härtet schnell aus, heißt es.
Thinking im November: Mehr als eine holzbasierte Biotinte für das Robocasting ist Woodmimetics3D. Sie lässt sich gut 3D-drucken und härtet schnell aus, heißt es.
(Bild: Uni Freiburg)

Technische Bauteile aus holzbasierten Biopolymeren drucken, klingt verrückt, doch Forschern der Universität Freiburg und des Freiburger Materialforschungszentrums können das jetzt, sagt die Landesagentur für Leichtbau Baden Württemberg. Denn gemäß Green Engineering haben sie eine holzbasierte Biopaste namens Woodmimetics3D entwickelt, die nachhaltiger kaum sein könnte, heißt es weiter. Nicht zuletzt lässt sich das leichte Material auch gut per 3D-Druck verarbeiten und ist zudem in der Herstellung ökonomisch wettbewerbsfähig. Die Leichtbau-BW präsentiert diese Innovation deshalb mit ihrem Thinking im November.

„Wir nennen das neue Material Bio-Tinte, weil wir damit drucken. Allerdings nicht auf Papier, sondern dreidimensional“, erklärt Lisa-Sophie Ebers, Doktorandin an der Universität Freiburg. Der neue Werkstoff ist quasi eine polymere Paste, dies sich im Direct Ink Writing zu leichten Bauteilen verarbeiten lässt, führt Ebers weiter aus. Woodmimetics 3D ist im Übrigen auch Gegenstand ihrer Dissertation und birgt eben viel Leichtbaupotenzial, heißt es. Bei seiner Entwicklung habe man außerdem bionische Ansätze verfolgt, die das Grundprinzip des zellulären Pflanzenwachstums nutzen. Dieses Prinzip sowie weitere Ergebnisse aus der Grundlagenforschung übertrugen die Forschungsteams der Professur für Forstliche Biomaterialien an der Universität Freiburg und dem Freiburger Materialforschungszentrum (FMF) auf das neue Material Woodmimetics3D.

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Klimaschonende Biotinte aus nachwachsenden Rohstoffen

„Wir erwarten, dass Woodmimetics3D einen positiven ökologischen Fußabdruck mit sich bringt, weil die verwendeten Rohstoffe nachwachsend und die Materialien zudem am Ende des Lebenszyklus biologisch abbaubar sind“, ist sich Prof. Marie-Pierre Laborie, Professur für Forstliche Biomaterialien an der Universität Freiburg, sicher. Was das Vorteilsspektrum der druckbaren Biopaste betrifft, so lässt sich dieses wie folgt beschreiben:

  • Nachhaltig aufgrund biologisch abbaubarer, nachwachsender Biomaterialien als Bestandteile;
  • Sehr leichter Werkstoff mit guten mechanischen Eigenschaften für die Anforderungen in der Additiven Fertigung;
  • Klimaschützend als CO2-neutraler Werkstoff;
  • Energieeffizient, denn die Additive Fertigung kann wegen der günstigen rheologischen Eigenschaften (thixotropisch wie bei Ketchup oder Dispersionsfarbe) bei Raumtemperatur erfolgen;
  • Günstig in der Herstellung, denn alle Rohstoffe sind industriell gut verfügbar.

Wie die Verarbeitung live aussieht, zeigt dieses Video:

Die Chance für das waldreiche Baden-Württemberg

Der Biowerkstoff enthalte ausschließlich holzbasierte Rohstoffe. Und zwar Lignin und Hydroxypropylcellulose – ein aus der Pharma-, Kosmetik und Lebensmittelindustrie bekannter Zusatzstoff (E463) – sowie Wasser, Ethanol und Essigsäure als Lösungsmittel. Die Haftung der Filamente untereinander kann, wie es weiter heißt, durch das Verhältnis zwischen den Lösemitteln und der Feststoffe angepasst werden.

Das Material ist deshalb nicht nur biobasiert, sondern auch zu 100 % abbaubar, betonen die Forscherinnen. Die biologische Abbaubarkeit wurde mithilfe von Pilzen untersucht und zeigt bezogen auf die Abbaubarkeit des Biokunststoffs PLA (Polylactiden) vergleichbare Ergebnisse.

Verglichen mit den wenigen kommerziellen Lignin basierten Produkten besitzt Woodmimetics3D mit bis zu 50 % einen recht hohen Ligninanteil, merken Freiburger an. Weil dieser Rohstoff bei der Papierherstellung als Abfallprodukt anfalle und derzeit zu 98 % einfach verbrannt würden, eröffne die Biopaste völlig neue Wege für die Weiterverwendung des Rohstoffs. 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, heißt es dazu.

Schlummerndes Leichtbau- und Umweltschutzpotenzial

Im Leichtbau hat Woodmimetics3D deshalb ein hohes Potenzial für semistrukturelle 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. Auch 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 – wegen 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 Woodmimetics3D bestimmte Formteile auf Erdölbasis in Innenräumen von Automobilen und Flugzeugen ersetzen.

Die gewünschte Woodmimetics3D 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.

Dieser Beitrag wurde ursprünglich auf unserem Partnerportal MM Maschinenmarkt veröffentlicht.

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