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Mittwoch, 18.10.2017
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3D-Druckertinte aus dem Wald

Zellulose-Nanokristalle machen 3D-Druck umweltfreundlicher

Zellulose statt Plastik pur: Forscher haben eine Tinte auf Zellulosebasis für den 3D-Druck entwickelt. Nanokristalle aus diesem Biopolymer machen die gedruckten Objekte besonders stabil und verleihen ihnen besonders günstige Eigenschaften. Anwendungen sehen die Forscher vor allem bei Prothesen und Implantaten, aber auch für Verpackungen und in der Automobilindustrie.
Eine neue "Tinte" für 3D-drucker enthält 20 Prozent Zellulose - und verleiht den Druckobjekte besonders positive mechanische Eigenschaften

Eine neue "Tinte" für 3D-drucker enthält 20 Prozent Zellulose - und verleiht den Druckobjekte besonders positive mechanische Eigenschaften

Der 3D-Druck boomt: Nicht nur zum Hausgebrauch oder in der Industrie werden immer häufiger Werkteile mit der additiven Fertigung produziert, auch in der Medizin eröffnen 3D-Drucktechniken neue Möglichkeiten. So könnten künftig maßgeschneiderte Prothesen, Implantate oder sogar Gewebe und Hilfsmittel für die Organzucht mit dieser Technik hergestellt werden.

Biopolymer statt purem Plastik


Eine umweltfreundlichere Variante der bisher für den 3D-Druck verwendeten Kunststoffmaterialien haben nun Forscher der Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa entwickelt. Ihre Idee: Sie wollten einen Teil der Polymermasse durch Zellulose ersetzen – einem der Hauptbestandteile von Holz.

Zellulose ist ein Biopolymer, das aus langen, in faserigen Strukturen organisierten Glukoseketten besteht. An einigen Stellen weisen die Zellulosefibrillen dabei eine geordnetere Struktur auf. "Die Stellen mit höherer Ordnung erscheinen in kristalliner Form. Und genau diese Abschnitte, die wir mittels Säure aufreinigen können, benötigen wir", erklärt Gilberto Siqueira von der Empa.


20 Prozent Zellulose in der Tinte


Aus diesen Zellulose-Abschnitten produzieren die Forscher Zellulose-Nanokristalle, stäbchenartige Gebilde von 120 Nanometer Länge und 6,5 Nanometer Durchmesser. Bis zu 20 Prozent dieser Kristalle setzten sie dann normalen 3D-Druck-Tinten für das sogenannte Direkt Ink Writing (DIW) zu. "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 Zellulose-Tinte muss "zäh" genug sein, damit das gedruckte Material auch vor dem Trocknen oder Härten in Form bleibt und nicht sofort wieder zerfließt. Dies erreichten die Forscher durch Vermischen mit einer speziellen Polymerbasis. Nach dem Drucken und dem Aushärten mittels UV-Bestrahlung waren Zellulose-Nanokristalle mit den Polymerbausteinen quervernetzt, wodurch das Verbundmaterial eine deutlich höhere mechanische Festigkeit aufwies.

Stäbchenförmige Zellulose-Nanokristalle machen die 3D-Objekte besonders stabil.

Stäbchenförmige Zellulose-Nanokristalle machen die 3D-Objekte besonders stabil.

Besonders stabil durch geordnete Kristalle


Erste Druckversuchen und die Röntgenanalyse der Mikrostrukturen ergab, dass sich die Zellulose-Nanokristalle im gedruckten Objekt nahezu perfekt in Druckrichtung ausgerichtet hatten. Das ist günstig für die mechanischen Eigenschaften. "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", erklärt Siqueira.

Diese guten mechanischen Eigenschaften stellen nach Angaben der Forscher einen entscheidenden Vorteil gegenüber anderen Materialien wie Kohlefasern dar, die ebenfalls in DIW-Tinten verwendet werden. Hinzu kommt, dass die neuartige Tinte aus einem erneuerbaren Material besteht und damit umweltfreundlicher ist als Kunststoff. "Cellulose ist das am häufigsten vorkommende natürliche Polymer der Erde", so Siqueira.

Viele Anwendungsmöglichkeiten


Anwendungen für ihre Zellulose-Tinte sehen die Wissenschaftler unter anderem in der Automobilindustrie, aber auch für Verpackungen jeglicher Art. "Das für mich wichtigste Anwendungsgebiet liegt allerdings in der Biomedizin – zum Beispiel für Implantate und Prothesen", so Siqueira. Dafür sprechen die guten mechanischen Eigenschaften und die Möglichkeit der gezielten chemischen Modifizierung.

Die Empa-Wissenschaftler arbeiten zurzeit an der Weiterentwicklung des Materials und der Druckmethode für verschiedene Anwendungen. Außerdem wollen sie weitere biobasierte Tinten entwickeln. "Die Forschung auf diesem Gebiet beginnt gerade erst", so Gilberto Siqueira. "Drucken mit Biopolymeren ist zurzeit ein echt heißes Thema."
(Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, 02.06.2017 - NPO)
 
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