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Alternativen zu umweltschädlichen Materialien für die additive Produktion
Fachbeitrag von Gediminas Puisys, Ingenieur und Leiter des Produktionsnetzwerks bei Xometry Europe
Den 3D-Druck nutzen inzwischen Laien und Experten, um bislang unmögliche Produkte zu erhalten. Sie bauen mit unterschiedlichen additiven Produktionsmethoden schnell und günstig selbst hochkomplexe Teile. Besonders für Prototypen oder kleine Serien setzen Hobbybastler additive Methoden ebenso gerne ein wie viele Wissenschaftler oder die Entwicklungsabteilungen großer Konzerne. Meist verwenden sie dabei Thermoplaste, also Kunststoffe, die sich gut erhitzen und dann Schicht für Schicht auftragen lassen. Deren großer Nachteil: Diese Materialien sind für die Umwelt eine Belastung und müssen nach speziellen Regeln entsorgt werden. Die Forschung arbeitet daher intensiv an Alternativen zu umweltschädlichen 3D-Materialien. Diese könnten von der Natur wieder zersetzt werden. Dazu gibt es einige vielversprechende Ansätze. Bislang sind die meisten Filamente dieser Art allerdings erst im Forschungsstadium.
Breit verfügbar ist heute nur die biologisch abbaubare Polymilchsäure (PMA), besser bekannt unter dem englischen Namen Polylactic Acid (PLA). Verwendet wird sie meist als Besteck oder für Verpackungen in Gesundheitspflege, Textilien oder Lebensmittel.
Es handelt sich bei diesem Material um ein Polyester aus Milchsäure, die unter kontrollierten Bedingungen aus der Fermentation von Kohlenhydratquellen wie Zuckerrohr und Stärke gewonnen wird. PMA/PLA wird dabei entweder durch die direkte Kondensation von Milchsäuremonomeren oder die Polymerisation von Lactid, einem Derivat der Milchsäure, hergestellt. Eingesetzt wird PLA vor allem in der Technologie des FDM-3D-Drucks. Hier kann es wegen seiner thermoplastischen Eigenschaften geschmolzen und umgeformt werden. Die mechanischen Eigenschaften sind dann mit denen von Polypropylen und Polyurethan vergleichbar.
PMA/PLA wird aus erneuerbaren Quellen wie Mais hergestellt und ist deshalb gut für Lebensmittel oder medizinische Anwendungen einsetzbar. Biologisch abgebaut werden muss es später in speziellen Kompostieranlagen. Zudem ist es gegenüber den bekannten Kunststoffen auf Erdölbasis weniger fest und kristallin.
Ein anderer Biokunststoff ist Polyhydroxyalkanoate (PHA), das durch die Kultivierung spezieller Bakterien gewonnen wird. In den Zellen der Bakterien wird das Material synthetisiert und als stark reflektierendes Granulat extrahiert.
Für den 3D-Druck befindet sich PHA noch in der Entwicklung und ist deshalb für Anwender sehr teuer. Es ist aber deutlich schneller biologisch abbaubar als PLA und zersetzt sich in weniger als drei Monaten. Im Vergleich zu anderen Biokunststoffen weist PHA allerdings auch eine geringere Flexibilität und Festigkeit sowie geringere thermische Eigenschaften auf. Bislang wird das Material vor allem im Verbund mit anderen Kunststoffen verwendet.
Aus Zellulose und Chitin wird FLAM (Fungal like additive material) produziert, ein neuartiges natürliches Material, das den 3D-Druck revolutionieren könnte. Noch wird intensiv daran geforscht, es ist nicht am Markt erhältlich. Die ersten Ergebnisse der Forschungen zeigen aber bereits, dass FLAM ein großes Potenzial als ökologisch nachhaltiges Material besitzt. Es handelt sich um ein ausgesprochen vielseitiges Material, dessen mechanische Eigenschaften fast identisch mit denen von Polyurethanschaum sind. Die natürlichen Ausgangsstoffe gibt es reichlich, das Material selbst wird nur ein Zehntel so teuer sein wie etwa PLA.
Eine ebenfalls umweltfreundlichere Alternative zu biologisch abbaubaren Filamenten sind solche aus recyceltem Kunststoff. Die Mehrzahl der im 3D-Druck eingesetzten Kunststoffe könnte eigentlich wiederverwertet und zu neuen Ausgangsmaterialien verarbeitet werden.
Auch abbaubare Verbundwerkstoffe werden künftig breit für additive Produktionsverfahren erhältlich sein. Dazu gehört die Kombination von PLA und PHA oder das Material WoodFill aus PLA und Holzfasern. Noch sind solche Materialien nicht weit verbreitet, Sie dürften sich aber mit steigenden Umweltanforderungen immer mehr durchsetzen.
