Revolution beim „bioinspirierten“ 3D-Druck

Cellulose statt Kunststoffe für eine nachhaltige Produktion

19.07.2018 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

3D-Drucken soll jetzt nachhaltiger und kostengünstiger werden. (Bildquelle: © Pixabay/CC0)
3D-Drucken soll jetzt nachhaltiger und kostengünstiger werden. (Bildquelle: © Pixabay/CC0)

Cellulose gibt es wie Sand am Meer. Sie ist eine der verbreitetsten organischen Verbindungen und auch ein industrielles Nebenprodukt. Kein Wunder, dass sie als nachwachsender Rohstoff für die Forschung verlockend ist. Bisher ist es jedoch noch nicht gelungen, mit Hilfe von Cellulose 3D-Produkte nachhaltig zu produzieren. Das könnte sich jetzt ändern.

Die Welt leidet unter immer mehr Abfall und Schadstoffemissionen. Die Suche nach nachhaltigeren Produktionsweisen hat daher höchste Priorität. Jetzt haben Forscher aus Singapur einen vielversprechenden Ansatz gefunden: die Herstellung von 3D-Objekten aus Cellulose und Chitin. Das ist ein erstaunlicher Durchbruch, denn bisher war Cellulose nicht geeignet für den 3D-Druck. Auch hohe Produktionskosten und Schadstoffemissionen machten die Verfahren allesamt unattraktiv.     

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Von Kraut- und Knollenfäule (Phytophthora infestans) befallene Tomaten: Dank der Pathogenität einiger Oomyceten weiß man inzwischen viel über ihre Zellwandstrukturen.

Von Kraut- und Knollenfäule (Phytophthora infestans) befallene Tomaten: Dank der Pathogenität einiger Oomyceten weiß man inzwischen viel über ihre Zellwandstrukturen.

Bildquelle: © Rasbak/Wiki Commons/CC BY-SA 3.0

Inspiration durch die Zellwände der Oomyceten

Der Durchbruch gelang mit Blick auf lebende Vorbilder, die Oomyceten (Ei- bzw. Scheinpilze). Sie stellen eine Art Übergangsform zwischen Braunalgen und Pilzen dar. Im Gegensatz zu Pilzen werden ihre Zellwände überwiegend auf der Basis von Cellulose gebildet und bei einigen Arten wird zusätzlich Chitin mit einem Anteil von bis zu 10 Prozent als Baumaterial genutzt. Die Kombination der beiden Polymere tritt äußerst selten in einem Organismus auf.

Dieses Wissen verdankt die Forschung der Pathogenität einiger Oomyceten. Denn zu den Eipilzen gehören auch die Erreger einiger gefürchteter Pflanzenkrankheiten, etwa der Erreger der Kraut- und Knollenfäule bei Kartoffeln und Tomaten (Phytophthora infestans) und die Falschen Mehltauarten (Peronosporales). Die ausgiebige Charakterisierung dieser Pilze führte auch zu neuen Erkenntnissen ihrer Zellwandstrukturen.

Auf die richtige Mischung kommt es an

Davon angeregt experimentierten die Forscher mit wässrigen Cellulose-Chitin-Mischungen. Bei einem Chitosananteil von mehr als zwölf Prozent muss wieder ein Teil des Wassers entfernt werden, damit das Material eine dreidimensionale Form beibehalten kann. Bei einem Chitosananteil von weniger als acht Prozent werden nicht alle Cellulosefasern gebunden und die mechanischen Eigenschaften verschlechtern sich. Hohe Chitosanmengen (>17%) erzeugen hingegen starke innere Kräfte, da die Polymere Wasser verlieren und das Material schrumpft. Die Forscher haben herausgefunden: Das optimale Verhältnis von Chitosan und Cellulose liegt bei 1:8. Diese Mischung ergibt einen biegsamen Verbundstoff, der stabile dreidimensionale Strukturen bilden kann.

FLAM – ein wahres Allround-Talent

Das neue Material tauften sie FLAM (“fungal-like adhesive material“). Das biomimetische Material kann gegossen, in 3D gedruckt, geformt, aber auch mit herkömmlichen Holzbearbeitungstechniken verarbeitet werden. FLAM ist vollständig ökologisch verträglich – es sind weder organische Lösungsmittel enthalten, noch werden synthetische Kunststoffe verwendet. FLAM ist auch vollständig biologisch abbaubar. Ein weiterer Vorteil ist, dass es ohne spezielle Einrichtungen produziert werden kann.

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Um die Leistungsfähigkeit des Systems zu demonstrieren, haben die Forscher ein 1,2 m langes Windturbinenblatt in 3D gedruckt.

Um die Leistungsfähigkeit des Systems zu demonstrieren, haben die Forscher ein 1,2 m langes Windturbinenblatt in 3D gedruckt.

Bildquelle: © SUTD

Auch bezüglich der Kosten kann FLAM überzeugen: Sie liegen im Bereich der Standardkunststoffe und sind 10-mal niedriger als die Kosten gängiger Filamente für den 3D-Druck wie Polymilchsäure oder Acrylnitril-Butadien-Styrol. Die Forscher haben auch eine zusätzliche Fertigungstechnik entwickelt, die speziell auf die Bedürfnisse des neuen Materials zugeschnitten ist.

Werkstoff der Zukunft?

Das sind genug Gründe, um Projektleiter Javier Gomez Fernandez optimistisch zu stimmen: Er sei davon überzeugt, dass das neue Verfahren die Verbreitung umweltfreundlicher Produktionsprozesse entscheidend beschleunigen könne.  Stylianos Dritsas, der ebenfalls an der Projektleitung beteiligt ist, schließt sich der Begeisterung seines Kollegen an: „Wir glauben, dass unsere Ergebnisse einen Wendepunkt darstellen. Sie werden große Auswirkungen auf verschiedene Bereiche haben, von der Materialwissenschaft über Umwelttechnik und Automatisierung bis hin zur Wirtschaft.“ Die neue Technologie müsse jetzt schnellstmöglich in die Anwendung kommen.

Es wären rosige Aussichten für die Natur: Für die Produktion von FLAM werden wahrscheinlich weder zusätzliche Ackerflächen noch Waldressourcen benötigt, denn die Komponenten für FLAM können in großen Mengen aus Nebenprodukten der Industrie gewonnen werden.

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