Der Begriff biobasierte Materialien ist weit gefasst und beschränkt sich nicht nur auf Biopolymere . Er schließt auch Materialien mit ein, die Naturfasern enthalten oder auch naturbasierte Granulate und Pulvermaterialien. Unter dem Begriff Biopolymere werden im Folgenden Anwendungsfälle für Polymere basierend auf natürlichen Rohstoffen genannt, dabei steht die Eigenschaft der Bioabbaubarkeit nicht im Vordergrund. Für diese Biopolymere werden aus nachwachsenden Rohstoffen, beispielsweise durch Fermentation, Monomere erzeugt und durch eine anschließende Polymerisation entstehen die entsprechenden Biopolymere. Um nicht in Konkurrenz zur Produktion von Lebensmitteln zu treten, setzt man häufig auf Reststoffe aus der Agrarwirtschaft , aber auch der Forstwirtschaft.
Für die Nutzung in der Additiven Fertigung müssen die biobasierten Materialien in Abhängigkeit vom eingesetzten additiven Fertigungsverfahren entweder als Pulver, Filament oder photopolymerisierbares Harz vorliegen.
Einsatz von biobasierten Materialien in additiven Fertigungsverfahren – ein Überblick
Das Fused Deposition Modeling (FDM)-Verfahren basiert auf dem Aufschmelzen von Polymeren in Filamentform. Der Einsatz des Biopolymers Polymilchsäure (Polylactid acid = PLA) im FDM-Verfahren ist eine etablierte Material-Prozess-Kombination und wird in verschiedenen Branchen, wie der Verpackungsindustrie oder der Medizintechnik , erprobt oder eingesetzt.
Auch Polyhydroxyalkanoate (PHA) können als FDM-Filament verwendet werden. Diese Biopolymere werden im Gegensatz zu PLA durch den Einsatz spezieller Bakterien hergestellt, welche das Biopolymer in ihren Zellen produzieren. Es werden auch Filamente auf Basis eines Blends, also einer Mischung von PLA und PHA, angeboten. Hierdurch kann die Bioabbaubarkeit von PLA verbessert werden.
Im Bereich des FDM-Verfahrens entwickelt sich auch die Verarbeitung von fasergefüllten Filamenten und von Endlosfasern stetig weiter. Hier bietet sich die Chance zum Einsatz von natürlichen Fasern, wie beispielsweise Cellulose- oder Hanffasern.
Ferner kann Polyamid 11-Pulver (PA 11) unter Nutzung von Rizinussamen als Biopolymer hergestellt werden. Diese Polyamid-Pulver können im Verfahren des Selektiven Lasersinterns (SLS) eingesetzt werden, dabei verschmilzt ein Laser die Kunststoffpartikel Schicht für Schicht miteinander.
In der Entwicklung befindet sich auch die Nutzung von gemahlenem Miscanthus, auch Chinaschilf genannt, in Pulverform zum Einsatz im additiven Fertigungsverfahren des Binder Jettings. Beim Binder Jetting liegt das Grundmaterial in Pulverform vor. Über ein Ink-Jet-System, ähnlich einem kommerziellen Bürodrucker, wird ein Binder aufgebracht, der die Partikel schichtweise verbindet.
Auch für die additive Verfahrensgruppe der Photopolymerisation, die auf der Nutzung photovernetzbarer Harze basieren, werden neue biobasierte Formulierungen entwickelt. So gibt es Entwicklungen zum Einsatz von Itaconsäure als UV-härtende Komponente, die auf der biotechnologischen Herstellung aus Nebenprodukten der Zuckerproduktion basiert. Weiterhin gibt es Entwicklungen auf Pflanzenölbasis in Form von Sojaöl.
3D-Druck mit Krabbenschalen
Auch Nebenströme tierischen Ursprungs wie Krabbenschalen oder Insektenpanzer werden auf ihre Nutzbarkeit in der Additiven Fertigung untersucht. Sie bestehen aus Chitin, dem zweithäufigsten Biopolymer weltweit. Zu diesem Thema forscht Dr. Kristin Protte vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung in Stuttgart. Sie arbeitet daran, funktionalisierte Chitin-Partikel über eine enzymatische Vernetzungsreaktion zu einem druckbaren Material weiterzuentwickeln. Das Material soll dabei so hergestellt werden, dass seine Eigenschaften die Möglichkeit zum Einsatz für Kunststoffbauteile mit einer zweijährigen Einsatzzeit zulassen. Dabei gilt es, die Fließeigenschaften für den Druckprozess zu optimieren, wobei Protte auf Gelatine zurückgreift. Kristin Protte ist Referentin beim Online-Forum „Biopolymere“ von Bayern Innovativ und wird dort über ihre Entwicklungen berichten.
