Vom 3D-Drucker in die Spülmaschine: Forschende entwickeln bioabbaubares Stützmaterial

In der Welt der additiven Fertigung revolutionieren Innovationen ständig die Möglichkeiten. Trotz des Fortschritts gibt es eine große Herausforderung: Die Notwendigkeit von Stützstrukturen. Sie verhindern das Absacken von Werkstoffschichten – doch ihre Entfernung nach dem Druck kann umweltbelastende Folgen haben. Im Projekt AquaLoes stellt sich das Institut für Kunststofftechnik der Universität Stuttgart dieser Herausforderung.

Im Interview mit dem K-MAG sprechen Lars Schmohl und Frederik Gutbrod über das neu entwickelte wasserlösliche und vollständig biologisch abbaubare Stützmaterial, den Prozess ihrer Forschung und darüber, was eine Spülmaschine mit dem Ganzen zu tun hat.

Sie haben ein Stützmaterial für den 3D-Druck entwickelt. Was hat Sie dazu inspiriert und was ist das Besondere daran?

Lars Schmohl und Frederik Gutbrod: Die additive Fertigung erfreut sich aufgrund ihrer nahezu unendlichen Freiheiten in der Gestaltungsmöglichkeit und einfachen Herstellung von Bauteilen einer großen Beliebtheit in der Industrie und bei Heimanwendungen. Beim Strangablegeverfahren, das auch fused filament fabrication (FFF) genannt wird, werden beim Druck von komplexen Strukturen (Hinterschneidungen und Überhängen usw.) Stützstrukturen benötigt, damit nachfolgende Werkstoffschichten gegen ein Absacken gesichert sind.

Da diese Stützstrukturen nach dem Druck wieder entfernt werden müssen, hat sich hierfür inzwischen die Verwendung von löslichen Materialien durchgesetzt. Indem diese durch ein entsprechendes Lösemittel, z.B. Wasser, nach dem Druck aufgelöst werden können, wird ein hochwertiges Oberflächenfinish des 3D-Bauteils erzielt. Der Werkstoff des Bauteils entspricht hierbei natürlich nicht dem Werkstoff der Stützstrukturen. Diese in Wasser gelösten Stützstrukturen gelangen dann aber oft als einzelne gelöste Polymerketten ins Abwasser und somit unweigerlich in die Umwelt. Somit war es unser Ziel, einen wasserlöslichen und zugleich in Wasser vollständig biologisch abbaubaren Kunststoff zu entwickeln.

Wie setzt sich das Material zusammen? Wie sahen Entwicklungsprozess und Herausforderungen bei der Auswahl der geeigneten Mischung aus?

Schmohl und Gutbrod: Der Stützstrukturwerkstoff setzt sich derzeitig aus einer Mischung von drei Komponenten zusammen. Hierfür wurde als Basispolymer ein Polyhydroxybutyrat-co-valerat (PHBV) verwendet. PHBV ist ein biobasiertes Polymer und darüber hinaus in Umgebungen mit geringer bakterieller Aktivität wie Meerwasser vollständig biologisch abbaubar. Aufgrund seiner geringen Dehnfähigkeit wurde zusätzlich ein kurzkettiges Polyethylenglykol (PEG) als Weichmacher eincompoundiert, das ebenfalls biologisch abgebaut werden kann. Um einen schnellen Lösevorgang der Stützstruktur vom Bauteil zu erreichen, wurde zusätzlich ein sehr feines Speisesalz eingesetzt.

Es wurden über 30 verschiedene Rezepturen für die Druck- und Löseversuche entwickelt. Dabei galt es, einen hohen Salzgehalt anzustreben, um einen möglichst schnellen Lösevorgang zu erreichen. Allerdings leidet mit der Erhöhung des Salzgehaltes auch die Dehnfähigkeit und somit die Verarbeitbarkeit des Filaments. So galt es immer, diese beiden Punkte abzuwägen, um eine geeignete Mischung zu erreichen. Weiterhin tritt beim Basispolymer PHBV eine starke Kristallisation auf, die zu einem Verzug des Bauteils noch während des Drucks führen kann.

Wie gestaltet sich der Ablöseprozess für das entwickelte Material? Welche Möglichkeiten haben Sie hier getestet?

Schmohl und Gutbrod: Der Ablöseprozess unterscheidet sich etwas von anderen herkömmlichen wasserlöslichen Stützstrukturen (wie z.B. PVA). So löst sich bei uns nicht der gesamte Stützstrukturwerkstoff auf, sondern lediglich das Salz, wodurch die Stützstrukturen in einem ersten Schritt fragmentiert werden. Entnimmt man das 3D-gedruckte Bauteil aus dem Wasserbad, können eventuell verbliebene Reste durch leichtes mechanisches Einwirken rückstandslos entfernt werden.

Der Ablöseprozess für das entwickelte Material dauert länger als für herkömmliche Materialien. Wie planen Sie, diese Herausforderung in Zukunft anzugehen?

Schmohl und Gutbrod: Bei unseren Versuchen wurde das gedruckte Bauteil jeweils in demineralisiertes Wasser eingelegt, wobei mit Erhöhung der Temperatur erwartungsgemäß die Zeit von 24 auf 4 Stunden sank, nach der sich die Stützstrukturen rückstandslos entfernen ließen. Auch der Einsatz einer handelsüblichen Spülmaschine konnte erfolgreich getestet werden.

Um diese Lücke zu schließen, wäre ein Ansatz, höhere Lösetemperaturen je nach Werkstoffpaarungen (Bauteilwerkstoff zu Stützstrukturwerkstoff) oder den Einsatz einer Art Waschstraße zu prüfen. Darüber hinaus könnte es möglich sein, dass eine höhere Dehnfähigkeit des Compounds einen höheren Salzgehalt erlaubt und somit einen schnelleren Löseprozess.

Das Thema Mikroplastik spielt eine große Rolle, wenn es um den Kontakt von Kunststoffen mit Wasser geht. Wie lösen Sie diese Problematik bei Ihrer Entwicklung?

Schmohl und Gutbrod: Diese Thematik nimmt auch bei uns eine übergeordnete Rolle in diesem Projekt ein. Die Komponenten wurden so gewählt, dass es zu keinem bleibenden Eintrag von Mikroplastik in die Umwelt kommt. So sind das PHBV als auch das PEG sogar in Meerwasser vollständig biologisch abbaubar.

Sie suchen aktuell nach Industriepartnern. Was erhoffen Sie sich von einer solchen Partnerschaft und welche Art von Unternehmen oder Expertinnen und Experten suchen Sie?

Schmohl und Gutbrod: Wir möchten die noch nicht marktreife Werkstoffmischung zu einem industrietauglichen Produkt weiterentwickeln. Hierbei können Firmen aus unterschiedlichsten Richtungen zur Kommerzialisierung des Produktes beitragen. So wären sowohl Werkstofflieferanten als auch Filamenthersteller eventuell interessiert, mit uns zusammenzuarbeiten.

Sie haben ein Patent für das 3D-Druck-Supportmaterial angemeldet. Was sind die nächsten Schritte, um dieses Produkt zur Marktreife zu bringen?

Schmohl und Gutbrod: Die nächsten wichtigen Schritte werden sich mit der Erhöhung der Dehnfähigkeit und dem Scale-up der Stützstrukturherstellung, sowohl im Hinblick auf andere 3D-Druckverfahren als auch in Bezug auf die erreichbare Bauteilgröße befassen. Diese Thematiken werden ausschlaggebend für eine Markteinführung sein.