Lösungsbasierter endlosfaserverstärkter 3D-Druck auf Basis von Cellulose für in Deutschland hergestellte Gebrauchsgüter (CellLoes-3D-Druck)

Problemstellung
Die Natur arbeitet fast ausschließlich mit Faserverbundwerkstoffen, wie beispielsweise unserer Haut und unseren Knochen, aber auch Holz und tierischen Chitinpanzern. Gleich ist bei allen, dass in eine formgebende Matrix belastungsgerecht verlaufende, verstärkende Fasern eingebettet sind. Dieses Bauprinzip mit minimalem Energie- und Materialaufwand ermöglicht das Überleben der Spezies bei bestmöglicher Funktionserfüllung. Ein weiteres Energiespar-Prinzip der Natur ist die sogenannte lösungsbasierte Herstellung der Verbunde bei Umgebungstemperatur, wie beispielsweise bei der Wundheilung. Im Tierreich sind hier Muschelschalen oder Spinnenseide zu nennen. Biobasierte Faserverbundwerkstoffe (FVW) sind derzeit stark nachgefragt und bestehen aus Naturfasern oder aus Holz hergestellten Cellulosefasern, welche in eine in eine biobasierte Matrix eingebettet sind. Sie sind wesentlich ökologischer mit vergleichbaren gewichtsbezogenen Eigenschaften bei Glasfaserverbunden. Natur- bzw. Cellulosefasern können aufgrund ihrer thermischen Eigenschaften bislang nicht im klassischen 3D-Druck verarbeitet werden.

Ziel
Ähnlich der Natur ermöglichen neue 3D-Druckverfahren mit Endlosfaserverstärkung ebenfalls die belastungsgerechte Ablage des Faserstrangs an den richtigen Ort (Topologie-Optimierung) und in die geeignete Richtung. Ziel des Forschungsprojekts CellLoes-3D-Druck ist die Entwicklung eines energie- und materialsparenden 3D-Druckverfahrens für leichte biobasierte Faserverbundwerkstoffe. Die Herstellung der Cellulose-Matrix und deren Verbindung mit endlosen Cellulosefasern erfolgt bei Umgebungstemperatur lösungsbasiert direkt im 3D-Druckkopf. Wie in der Natur wird in einem Arbeitsgang Material und Bauteil hergestellt. Die chemische Ähnlichkeit von Cellulose-Fasern und -Matrix erzielt sehr hohe mechanische Eigenschaften und ein gutmütiges Bruchverhalten.

Vorgehensweise
Analog der Cellulosefaser-Herstellung soll die Cellulose-Matrix direkt im Druckkopf durch ein integriertes „Lab-On-Chip“-Lösungs-Fällbad hergestellt werden. Als Vorstufe der Matrix wird ein sogenannter Binder entwickelt, welcher zunächst den Cellulosefaser-Strang so weit stabilisiert, dass dieser dem Druckkopf zugeführt werden kann. Der Binder wird dann im speziell gestalteten Druckkopf zur späteren Matrix umgewandelt. Auf der 3D-Druck Freeformer-Anlage von Arburg werden die Forschungen grundsätzlich validiert. Die Umsetzung erfolgt an einem noch auszuwählenden Beispiel.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Der Markt für 3D-gedruckte Bauteile wächst rasant in allen Bereichen der Technik, auch in der Faserverbundtechnik. Durch die Anwendung der natürlichen Bauprinzipien „Topologie-Optimierung“, „belastungsgerechte Faserrichtungen“, „hervorragende Faser-Matrix Haftung“ und „energiesparende Herstellung unter Umgebungstemperatur“ im 3D-Druck können gewichtsoptimierte, biobasierte, nachhaltige Faserverbunde hergestellt werden, die in vielen Fällen glasfaserverstärkte Faserverbunde ersetzen können sowie ein wesentlich besseres Recycling aufweisen. Das Marktvolumen für Glasfaserverbunde liegt derzeit bei 10 bis 12 Mio. Tonnen/a. 3D-Druck mit biobasierten Materialien könnte einen nicht unbedeutenden Anteil dieser Menge ersetzen.

• Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF)