3D-Druck-Stützmaterial Bio-Spezialkunststoff für 3D-Druck vermeidet Mikroplastik

Am Institut für Kunststofftechnik der Universität Stuttgart (IKT) wurden biologisch abbaubare Stützstrukturen für den 3D-Druck entwickelt, die aus Polyhydroxybutyrat-co-valerat (PHBV) und Kochsalz bestehen.

Im Rahmen des Vorhabens Aqualoes haben Forscher am IKT bioabbaubare Stützstrukturen für den 3D-Druck entwickelt, die aus dem Kunststoff PHBV und Kochsalz bestehen. Sie ließen sich im Wasserbad vom Bauteil ablösen und über das Abwasser entsorgen, ohne dass Mikroplastik entsteht. Das, wie betont wird, vollständig aus biologischen Quellen stammende PHBV ist in natürlichen Gewässern, auch im Meer, biologisch abbaubar. Um das patentierte Werkstoffkonzept nun zur Marktreife weiter zu entwickeln, sucht das IKT nach Industriepartnern. Aber warum das Ganze?

Nun, 3D-Drucker werden auch im privaten Bereich immer beliebter. Egal ob Spielzeug, Dekoration, Werkzeug oder Haushaltshelfer – der Phantasie sind bei den Druckobjekten keine Grenzen gesetzt, wie die Forscher sagen. Will man komplexere, dreidimensionale Gegenstände drucken, benötigt man dazu auf oft sogenannte Support- oder Stützstrukturen aus Kunststoffen, die sich nach der Fertigstellung vom eigentlichen Bauteil entfernen lassen. Je nach Art des Stützkunststoffs kann sogar reines Wasser zum Auflösen dienen. Schlussendlich gelangten die Rückstände der Stützkunststoffe aber dann in Form von Mikroplastik in die Umwelt.

Genügsame Mikroorganismen stellen Biokunststoff her

Vor diesem Hintergrund entstand die Idee, einen neuen Werkstoff für 3D-Druck-Stützstrukturen auf der Basis des Biokunststoffs Polyhydroxybutyrat-co-valerat zu entwickeln. PHBV ist, wie oben schon erwähnt, sogar in Meerwasser biologisch abbaubar und kann vollständig zu Wasser und CO₂ verstoffwechselt werden. Weil PHBV selbst zwar in Wasser abbaubar, jedoch nicht wasserlöslich ist, wollte man die Ablösbarkeit des Stützwerkstoffs durch Zumischen von Kochsalz in das Polymer erreichen. Die Stützpolymere sollten so im Wasser in kleine Fragmente zerfallen, die man aus der Flüssigkeit herausfiltern kann, oder die bei Verbleib im Abwasser in überschaubaren Zeiträumen durch Mikroorganismen abgebaut würden. „Aufgrund der geringen Partikelgröße gehen wir von wenigen Monaten für den Abbau aus“, merkt Projektleiter Professor Christian Bonten vom IKT an.

Der Biokunststoff Polyhydroxybutyrat-co-valerat wird im Übrigen biotechnologisch gewonnen. Das heißt, bestimmte Bakterienstämme produzieren aus pflanzlichen Rohstoffen wie Zucker oder Stärke (oder aus entsprechenden Rest- und Abfallstoffen) das PHBV als Speicherstoff. Letzterer könne direkt aus den Bakterien extrahiert werden. Noch im Forschungsstadium befindet sich der Ansatz, genetisch veränderte Cyanobakterien zur PHBV-Produktion zu nutzen, was den Vorteil hätte, dass keine Anbauflächen erforderlich würden, denn Cyanobakterien ernähren sich von Wasser, CO₂ und Sonnenlicht.

3D-Druck-Hilfskunststoff im Geschirrspüler ablösen

Im Forschungsprojekt Aqualoes konnte das Stuttgarter Team schließlich die grundsätzliche Machbarkeit dieser Idee nachweisen, wie es weiter heißt. Dazu entwickelte und testete es über 30 verschiedene Rezepturen aus PHBV, Salz und anderen biologisch abbaubaren Polymeren. Im Ergebnis wies eine Rezeptur aus 40 Prozent PHBV, 10 Prozent ungiftigem PEG (Polyethylenglykol = Frostschutzmittel) und 50 Prozent hochfeinem Kochsalz die besten Eigenschaften auf. Aus diesem Compound ließen sich auch filigrane Stützstrukturen drucken, ohne, dass diese abrissen, wie man betont. Insbesondere in Kombination mit dem weit verbreiteten 3D-Druck-Polymer PLA (Polylactid) hafte das Compound gut und ermögliche den Druck guter Bauteile. Doch die hohe Haftung erschwerte das vollständig rückstandsfreie Ablösen der Strukturen.

Der Ablöseprozess benötigte in einem Leitungswasserbad bei Raumtemperatur 24 Stunden, präzisieren die Forscher. Zudem musste man immer mal zu einem Hilfswerkzeug greifen. Im Vergleich dazu brauchen herkömmliche Stützpolymere wie BVOH (Butenediol-Vinyl-Alkohol-Polymer) nur etwa 4 bis 6 Stunden, um sich aufzulösen. Um die Ablösezeit weiter zu verkürzen, testeten die Forscher erfolgreich die Option, das Bauteil in einem haushaltsüblichen Geschirrspüler zu behandeln. Weil das neue Polymer auf den Hobbybereich ziele, sei diese Methode in der Praxis gut umsetzbar, wäre aber auch mit einem vollständigen Verbleib der Stützpolymere im Abwasser verbunden.

Dringend Industriepartner für Weiterentwicklung gesucht

Noch ist das bioabbaubare Stützpolymer aber eben nicht marktreif. Es bedarf insbesondere noch Verbesserungen bei der Ablösbarkeit und der Dauer derselben, sowie mit Blick auf die Kombinationsfähigkeit mit weiteren 3D-Druckmaterialien. Das IKT-Team sucht nun interessierte Industriepartner, um den Ansatz gemeinsam weiter zu entwickeln. Die Universität Stuttgart hat auch bereits ein Patent auf 3D-Druck-Supportmaterial aus PHBV, Salz und weiteren Polymeren, Weichmachern und Hilfsmitteln angemeldet.

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