Umweltfreundliche Tinte Tinte für den 3D-Druck lässt sich aus Holz herstellen

Schweizer Forschern ist es gelungen, eine umweltfreundliche Tinte für den 3D-Druck zu entwickeln. Mit der Tinte aus Zellulose-Nanokristallen lassen sich Mikrostrukturen mit herausragenden mechanischen Eigenschaften herstellen.

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EMPA Eidgenössische Material- Prüfungs-und Forschungsanstalt

Neben Hemizellulose und Lignin ist Zellulose eine der Hauptkomponenten von Holz. Das Biopolymer besteht aus langen, in faserigen Strukturen organisierten Glukoseketten. An einigen Stellen weisen die Zellulosefibrillen eine geordnetere Struktur auf.

Zwei Forscher der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa), Dr. Gilberto de Freitas Siqueira und Dr. Tanja Zimmermann aus der Abteilung für Angewandte Holzforschung, haben nun – zusammen mit Kollegen der Harvard University und der ETH Zürich – eine neue, umweltfreundliche 3D-Drucker-Tinte aus dem Stoff entwickelt.

Zellulose-Nanokristalle als Endprodukt

„Die Stellen mit höherer Ordnung erscheinen in kristalliner Form. Und genau diese Abschnitte, die wir mittels Säure aufreinigen können, benötigen wir für unsere Forschung“, erklärt Siqueira. Das Endprodukt sind Zellulose-Nanokristalle (CNC) – stäbchenartige Gebilde von 120 nm Länge und 6,5 nm Durchmesser. Bisher enthalten Tinten für den 3D-Druck mit maximal 2,5 % CNC einen eher kleinen biologischen Anteil. Bei der nun von den Forschern entwickelten Tinte beträgt dieser Anteil 20 %.

Hohe mechanische Festigkeit

„Die größte Herausforderung bestand darin, eine visko-elastische Konsistenz zu erreichen, die auch durch die Düsen des 3D-Druckers gepresst werden kann“, erklärt Siqueira. Die Tinte muss also zäh genug sein, damit das gedruckte Material auch vor dem Trocknen oder Härten in Form bleibt und nicht sofort wieder zerfließt.

Die ersten CNC-Mixturen basierten auf Wasser – was grundsätzlich zwar funktioniert, aber ein recht sprödes Material geliefert habe. Daher wurde eine zweite Rezeptur auf Polymerbasis entwickelt – mit einem entscheidenden Vorteil: Nach dem Drucken und nach Aushärten mittels UV-Bestrahlung hatten sich CNC und Polymerbausteine quervernetzt, wodurch das Verbundmaterial eine deutlich höhere mechanische Festigkeit aufwies.

Ausrichtung der Kristalle lässt sich steuern

Die Verbindung der beiden Materialien stellte eine Herausforderung dar, denn: „Die allermeisten Polymere sind wasserabweisend oder hydrophob, Zellulose hingegen wasserliebend – hydrophil. Folglich sind sie von Natur aus nicht sehr kompatibel.“ Daher mussten die Forscher die CNC-Oberfläche zunächst einmal chemisch verändern.

Nach den ersten Druckversuchen und der Röntgenanalyse der Mikrostrukturen fiel auf, dass sich die CNC im gedruckten Objekt nahezu perfekt in Druckrichtung ausgerichtet hatten. Die mechanische Kraft, mit der die Tinte durch die Druckerdüse gedrückt wird, reichte aus, um sie derart zu ordnen. „Dass man die Ausrichtung der Nanokristalle steuern kann, ist sehr interessant, zum Beispiel wenn man etwas drucken möchte, das eine spezifische Festigkeit in einer bestimmten Richtung haben soll“, sagt Siqueira.

Anwendungsgebiete: Biomedizin, Automobil- und Verpackungsindustrie

Diese mechanischen Eigenschaften stellen einen Vorteil gegenüber anderen Materialien wie Kohlefasern dar. Hinzu kommt, dass die neuartige Tinte aus einem erneuerbaren Material besteht. „Zellulose ist das am häufigsten vorkommende natürliche Polymer der Erde“, sagt Siqueira. Es kommt nicht nur in Bäumen, sondern auch in anderen Pflanzen und sogar in Bakterien vor.

Die aus verschiedenen Zellulosequellen isolierten Kristalle unterscheiden sich dabei morphologisch und in ihrer Größe, nicht aber in ihren Eigenschaften. Sie könnten etwa in der Automobilindustrie oder für Verpackungen jeglicher Art interessant sein. „Das für mich wichtigste Anwendungsgebiet liegt allerdings in der Biomedizin“, meint Siqueira, „zum Beispiel für Implantate oder Prothesen.“

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