Holzbasierte Paste für den 3D-Druck

Kurz & Knapp

In den 1980er-Jahren entstand in den USA die Idee, Lignin und Flüssigkristalle auf Cellulose-Basis zu einem Werkstoff zu verbinden. Dann geriet das Vorhaben in Vergessenheit.
Ein Forscherteam der Universität Freiburg hat den Ansatz aufgegriffen und zu einem biologisch abbaubaren 3D-Druckmaterial weiterentwickelt.
Langfristig könnte dies vielseitige Verbundwerkstoffe für den Leichtbau ermöglichen, da unterschiedliche Ligninquellen und Flüssigkristalle die Materialeigenschaften verändern.

Druckmaterialien aus Lignin und Cellulose

Reststoffe der Papierherstellung als Grundlage für einen biologisch abbaubaren, holzbasierten Kunststoff: An dieser Vision forscht ein Team der Universität Freiburg. Die Idee dazu stammt bereits aus den 1980er Jahren und könnte zu einem vielseitigen Verbundwerkstoff führen.

Vom Konzeptmodell über das Ersatzteil bis hin zu großen Bauteilen von Automobil- bis Raumfahrtindustrie: Der 3D-Druck etabliert sich zunehmend als Fertigungsmethode mit sehr breitem Anwendungsspektrum. Grundlage bilden dabei in der Regel Kunststoffe als Druckmaterial. Ein Forschungsteam der Universität Freiburg hat nun einen biologisch abbaubaren Kunststoff auf Holzbasis vorgestellt, der sich für den 3D-Druck eignen soll.

Die Gruppe um Marie-Pierre Laborie von der Professur für Forstliche Biomaterialien untersuchte dazu die Eigenschaften einer Paste, die zu gleichen Teilen aus den Naturstoffen Cellulose und Lignin bestand. Über die Erkenntnisse berichtet das Team in den Fachjournalen „Applied Bio Materials“ und „Biomacromolecules“.

Lignin verklebt die Cellulose-Mikrostruktur

Die Idee hinter der Kombination aus Cellulose und Lignin geht bereits auf die 1980er Jahre zurück: Damals entdeckte ein US-Forscherteam die Vorteile der Flüssigkristalle auf Cellulose-Basis in Verbindung mit Lignin, verfolgte die Idee aber nicht weiter. Das Freiburger Team um Laborie nahm das Material-Duo näher unter die Lupe: Während die Cellulose-Komponenten der Kunststoffpaste ein gutes Fließverhalten verleihen, sorgt das Lignin dafür, dass die Mikrostruktur der Cellulose „verklebt“. Je nachdem, wie diese Struktur im Fertigungsprozess ausgerichtet wird, lassen sich dem Biokunststoff unterschiedliche Eigenschaften verleihen, beispielsweise mehr oder weniger Flexibilität.

3D-Druck — Die Biopaste, die bei diesem Druckvorgang eines Zylinders verwendet wurde, besteht zu je 50 Prozent aus Lignin und Cellulose. © Lisa Ebers

Materialeigenschaften lassen sich anpassen

Es entstand eine zähflüssige Biopaste, die sich gut verarbeiten lässt, schnell verfestigt und dafür eignet, selbst komplexe Strukturen im 3D-Druck-Verfahren herzustellen. Das in den Versuchen verwendete Lignin wurde aus Buchenholz gewonnen. Lignin aus anderen Pflanzen dürfte ebenso wie andere Flüssigkristalle ebenfalls andere Materialeigenschaften ermöglichen – und natürlich sind Kombinationen aus unterschiedlichem Lignin ebenso denkbar wie chemische Modifikationen der Rohstoffe.

Noch zu beantworten ist außerdem die Frage, ob das Verfahren wie erhofft auch mit Lignin funktioniert, das als Reststoff in der Papierherstellung anfällt und in der Regel einfach verbrannt wird, um Wärmeenergie zu erzeugen. Bislang hat das Forschungsteam lediglich hochreines Lignin verwendet, das in der Bioraffinerie des Fraunhofer CBP in Leuna erzeugt worden ist.

Weitere Informationen

Mitteilung der Universität Freiburg:

In Kooperation mit bioökonomie.de

Passende SDG´s

Wissenschaftsjahr 2020/21 - Bioökonomie

Das Wissenschaftsjahr 2020/21 widmete sich dem Thema Bioökonomie. Knapper werdende Ressourcen und Nutzflächen bei gleichzeitig wachsender Weltbevölkerung, Klimawandel und Rückgang der Artenvielfalt – all dies sind globale Herausforderungen. Eine Umstellung ist daher notwendig: weg von einer Wirtschaftsform, die auf fossilen Ressourcen basiert, hin zu einer nachhaltigen, biobasierten Wirtschaftsweise – der Bioökonomie. Die Wissenschaft treibt diese Innovationen voran und sorgt dafür, dass Mikroorganismen, Proteine, Algen und weitere „kleine Helden“ der Bioökonomie große Wirkung entfalten. Bürgerinnen und Bürger wurden aufgefordert, diesen Wandel im Dialog mit Wissenschaft und Forschung und im Rahmen zahlreicher Diskussions- und Mitmachformate im Wissenschaftsjahr aktiv mitzugestalten.