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ValueBioMat über den 3D-Druck von biobasierten Verbundstoffen

Am 10. Juni 2022 von Bianca Z. veröffentlicht

Heutzutage entwickeln immer mehr Unternehmen Verbundwerkstoffe für die additive Fertigung, mit denen sich leichtere und stärkere Teile konstruieren lassen. Allerdings sind dies Materialien, die negative Auswirkungen auf die Umwelt haben können, da sie häufig aus einer Kunststoffmatrix hergestellt werden. Deshalb forscht die Aalto-Universität in Finnland daran, sich neue, nachhaltige Polymermaterialien biologischen Ursprungs vorzustellen, die herkömmliche Kunststoffe und Verbundwerkstoffe fossilen Ursprungs ersetzen können. Diese neuen Materialien und ihre Verarbeitungstechniken werden in naher Zukunft einen vollständig nachhaltigen und zirkulären 3D-Druck ermöglichen. Wir trafen uns mit Jukka Seppälä, dem Professor, der zusammen mit dem Labor für additive Fertigung der Universität im Rahmen des ValueBioMat-Projekts an diesem Thema forscht.

3DN : Können Sie sich und Ihre Verbindung zum 3D-Druck kurz vorstellen?

Mein Name ist Jukka Seppälä und ich bin Professor für Polymertechnologie an der Aalto-Universität in Finnland. Das Profil meines Labors konzentriert sich auf die Polymersynthese und die Technik der Polymerreaktionen. Wir interessieren uns für das Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von Polymeren und für die Anpassung von Kunststoffen, um wichtige und anspruchsvolle Anwendungen zu erfüllen. Seit Jahren stehen wir an vorderster Front bei der Entwicklung von Polymeren und Kunststoffen biologischen Ursprungs. Dies hat uns auch dazu veranlasst, uns mit fortschrittlichen und neu entstehenden Verarbeitungstechniken wie der additiven Fertigung zu beschäftigen. Diese Techniken bieten große Möglichkeiten, optimierte Strukturen auf neue und materialsparende Weise herzustellen. So kann die additive Fertigung in Verbindung mit neuen, nachhaltigen und biobasierten Polymermaterialien einen großen Schritt hin zu umweltverträglicheren Materiallösungen darstellen. An der Aalto-Universität ist der Experte für additive Fertigung Professor Jouni Partanen, und wir arbeiten in seinem Fertigungslabor ADDLAB eng mit ihm zusammen.

3DN : Wie ist das ValueBioMat-Projekt entstanden? Was ist seine Aufgabe?

Die Aufgabe von ValueBioMat ist es, die Nachhaltigkeit durch legislative und politische Maßnahmen zu fördern, indem wir geeignete Rahmenbedingungen entwickeln, die Entwicklungen in der Produktion und bei Dienstleistungen im Zusammenhang mit Biomaterialien fördern. Ausserdem soll es den Schutz und Zugang zu Industriedaten und Designdateien verhältnismäßig regeln und die Zusammenarbeit zwischen den Interessengruppen durch die Entwicklung neuer Modelle für Innovation und die Steuerung von Handelsnetzwerken unterstützen.

Wir untersuchen und entwickeln auch gangbare Synthesewege mit hohem Durchsatz von Fettsäuren zu polymerisierbaren Monomeren wie Dicarbonsäuren und untersuchen die Möglichkeiten zur Synthese von langkettigen Polyamiden, Polyestern und Polyurethanen biologischen Ursprungs sowie deren Struktur-Eigenschafts-Korrelationen mit Materialeigenschaften. Synthetisierte biopolymerverstärkte Verbundwerkstoffe mit chemischer Kompatibilität sind die Schlüsseltechnologie, um optimale Verbundwerkstoffe mit langen Fasern für Druckverfahren zu entdecken und geeignete Verfahren für diese Verbundwerkstoffe zu entwickeln. Schließlich bewerten wir die ökologischen, sozialen und ethischen Auswirkungen unserer Lösungen zum Nutzen der Gesellschaft.

3DN : Was sind die Hauptvorteile der Verarbeitung von Bioölen zu Verbundstoffen für den 3D-Druck?

Bioöle sind eine neue und aufstrebende Quelle erneuerbarer Rohstoffe für die Herstellung von Kraftstoffen und polymeren Materialien. Derzeit gibt es kommerzielle Bioöle auf der Basis von Polyamiden. Im Rahmen unserer Forschung haben wir langkettige Polyamide entwickelt, die insbesondere in Kombination mit Füllstoffen und Verstärkungsfasern biologischen Ursprungs optimale Eigenschaften aufweisen, um thermoplastische Biokomposite herzustellen. Die Probleme, die wir erfolgreich lösen konnten, betreffen die Frage, wie der Abbau von wärmeempfindlichen Biopartikeln verhindert werden kann. Zu diesem Zweck haben wir spezielle niedrig schmelzende Polyamide entwickelt, die hauptsächlich auf biologischen Rohstoffen basieren. Dank dieser Fortschritte konnten wir neue biobasierte Verbundstoffe herstellen, die als Ersatz für herkömmliche Kunststoffe und Verbundstoffe fossilen Ursprungs interessant sind.

ValueBioMat

Am ValueBioMat-Projekt sind mehrere Partner beteiligt

3DN : Können Sie uns ein wenig mehr über das von Ihnen verwendete 3D-Druckverfahren erzählen?

Wir haben im Rahmen der additiven Fertigung mit Stereolithografie gearbeitet, wobei der Schlüsselparameter darin besteht, die korrekte und schnelle chemische Vernetzung des Harzes sicherzustellen. Dazu gehört auch die chemische Bindung zwischen den Schichten, sodass schließlich ein nahtloses 3D-Netzwerk gebildet wird, d. h. ein schichtfreies Endergebnis erzielt wird. Es gibt Geräte, die genau zu diesem Zweck entwickelt wurden. Anstatt dass sich die Druckplatte in Höhenintervallen (z. B. 50 µm) bewegt, bewegt sie sich langsam und kontinuierlich, während die Fotovernetzung stattfindet, was zu einer schichtlosen Struktur führt. Ein anderer Ansatz, den wir umgesetzt haben, ist der 3D-Druck von vorgefertigten Formen, die in einem weiteren Schritt zum Gießen der Objekte verwendet werden. In diesem Fall hat das eigentliche Objekt ebenfalls keine Schichten.

3DN : Wie sieht ValueBioMat die Zukunft von erneuerbaren und zirkulären Kunststoffen im 3D-Druck?

Wir sind davon überzeugt, dass der 3D-Druck neue Möglichkeiten für ein optimiertes Produktdesign bietet, mit dem der Materialverbrauch gesenkt werden kann. Darüber hinaus bietet die digitale Fertigung mit verteilten 3D-Druckern eine bedarfsgerechte Produktion am Ort der Verwendung. Dabei sind auch die unterschiedlichen Maßstäbe zu berücksichtigen, vom 3D-Druck im Büro bis hin zur robotergestützten additiven Fertigung von sehr großen Objekten.

3DN : Haben Sie noch abschließende Worte für unsere Leserschaft?

Neue Materialien und ihre Verarbeitungstechniken nehmen eine Schlüsselposition ein, um in naher Zukunft Nachhaltigkeit und Zirkularität zu ermöglichen. Um dies in die Praxis umzusetzen, benötigen wir nicht nur technische Lösungen, sondern auch ein wissenschaftlich fundiertes Verständnis der gesamten Wertschöpfungskette des Lebenszyklus bis hin zu den End-of-Life-Schemata der Produkte. In dieser Hinsicht brauchen neue Geschäftsmodelle Anreize und Regelungen. Ich bin sicher, dass Produzenten und Verbraucher dazu bereit sind. Dies ist die Hauptaufgabe des ValueBiomat-Projekts.

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*Titelbildnachweis: Université Aalto

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