Biopolymere für den 3D-Druck

Baumpilze

Quelle: d-jukic – stock.adobe.com

Biopolymere für den 3D-Druck

In der Agrar- und Forstwirtschaft fallen große Mengen an bisher ungenutzten, abbaubaren Biopolymeren an. Sie könnten für den 3D-Druck verwendet werden und die nicht-biologischen Polymere ersetzen, die bisher massenhaft zum Einsatz kommen.

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In den letzten Jahren hat die Technologie der additiven Fertigung, bekannter als 3D-Druck, große Zuwächse verzeichnet. Ein Großteil der verdruckten Materialien sind Kunststoffe, mit denen viele Nonsense-Produkte wie Einmalsonnenbrillen gedruckt werden und die zur weltweiten Müll- und CO2-Problematik beitragen, wie das Umweltbundesamt in seiner Studie zu den Umweltfolgen des 3D-Drucks feststellte. Alternativen, aus biologischem Material hergestellte Kunststoffe, können dieses Problem nicht lösen, da sie nicht vollständig abbaubar sind und ihre Herstellung energieintensiv ist. Zugleich fallen in der Agrar- und Forstwirtschaft große Mengen an bisher ungenutzten, abbaubaren Biopolymeren an, die das Potenzial haben, nicht-biologische Polymere zu ersetzen. Einige Biopolymere wie Cellulose wurden bereits im 3D-Druck eingesetzt. Jedoch müssen chemische Bindemittel wie Formaldehyd zugegeben werden, um mechanische Eigenschaften ähnlich denen von Kunststoffen zu erreichen, wodurch die Endprodukte nicht mehr biologisch abbaubar sind.

Glossar

Biopolymere | Gruppe von Makromolekülen, die in tierischen, pflanzlichen oder mikrobiellen Zellen hergestellt werden. Beispiele sind Mehrfachzucker, Proteine oder DNA.

Enzyme | Proteine, die eine chemische Reaktion beschleunigen, ähnlich einem Katalysator.

Laccasen | Enzyme, die in vielen Pilzen, Pflanzen und Mikroorganismen vorkommen und deren Vertreter u. a. Gerbstoffe oxidieren können.

Transglutaminasen | Enzyme, die andere Proteine mit- oder untereinander vernetzen.

Lignin | Komplexe Makromoleküle, die als Stützstruktur in pflanzlichen Zellwänden fungieren.

Stabil durch Chitin aus Krabbenschalen

Das Forscherteam am Fraunhofer IPA um Dr. Kristin Protte und Dr. Oliver Schwarz befasst sich daher mit der Entwicklung von Herstellungsverfahren verdruckbarer Biopolymermaterialien, die komplett biologisch abbaubar sind und ihre Stabilität durch Einsatz vernetzender Enzyme erhalten. Der Fokus liegt auf dem Einsatz angepasster Enzymsysteme, mit denen ein robuster Herstellungsprozess etabliert werden kann.

Ein erstes Projekt befasst sich mit der Vernetzung von Chitin, das aus Krabbenschalen gewonnen wird. Nach einer Vorbehandlung mit heißer Lauge geben die Wissenschaftler Laccasen und natürliche Gerbstoffe, sogenannte phenolische Verbindungen, zu den vorbehandelten Chitinpartikeln. Dabei werden die Gerbstoffe auf der Oberfläche der Partikel gebunden, die dann untereinander weitere stabile Bindungen ausbauen können. Die nun einsetzende Kettenreaktion können die Wissenschaftler besser kontrollieren, wenn sie die Partikel in eine Matrix aus Gelatine geben. Der abschließende Aushärtungsprozess wird durch ein weiteres Enzym, die Transglutaminase, die die Gelatine vernetzt, beschleunigt. Entsprechend der gewählten Kombinationen aus Enzym- und Substratkonzentrationen sowie Prozesstemperaturen konnte das Fraunhofer IPA mechanische Eigenschaften ähnlich denen von Kunststoffen erhalten.

Vernetzendes Enzym Lignin aus Restholz

Neben Chitin wird auch der Einsatz von Holzpartikeln aus Bruch- und Laubholz als Rohstoff für den 3D-Druck untersucht. Zentrales Polymer für die enzymatische Vernetzung ist Lignin, das für seine hohe mechanische Stabilität bekannt ist. Als Schutz gegen vorzeitigen Abbau dienen natürliche Schichten, sogenannte Coatings, die ebenfalls am IPA entwickelt werden. Weitere Projekte zu anderen Biopolymeren sind in Vorbereitung.

Durch eine enge Kooperation mit dem Zentrum für Additive Produktion am Fraunhofer IPA können zukünftig innovative Fertigungswege und Drucktechnologien für den Einsatz der abbaubaren Druckmaterialien entwickelt und so neue Wege im Bereich der additiven Fertigung beschritten werden.

Biologische Transformation: 3D-Druck wird biointelligent

Wer nachhaltig produzieren will, kommt um das Vorbild der Natur nicht herum. Bei ihr gibt es keine Abfälle. Was vergeht, wird zum Baustein für neues Leben. Modell ist die Kreislaufwirtschaft. Wer nach den Prinzipien der Natur produziert und wirtschaftet, nutzt immer mehr Materialien, Strukturen, Prozesse und Organismen der Natur in der Technik. Die Produktion wird biologisch transformiert. Ziel dieser Biologischen Transformation ist letztlich das »biointelligente System«, das große Datenmengen einbezieht und regenerativ, kostengünstig und hochflexibel arbeitet.

Die Forschung an Biopolymeren für den 3D-Druck von Kristin Protte und Oliver Schwarz entwickelt Herstellungsverfahren für natürliche, biologisch abbaubare Druckmaterialien. Sie ist ein wichtiger Schritt in Richtung biointelligenter 3D-Druck. Ziel aller Forschungsprojekte ist es, Kunststoffprodukte mit einer mittleren Lebensdauer von rund zwei Jahren ersetzen zu können. Durch Verzicht auf chemische Bindemittel und Coatings sind diese gedruckten Objekte komplett natürlich und biologisch abbaubar.

Ihre Ansprechpartnerin

Dr. Kristin Protte

Mitarbeiterin des Virtual Orthopedic Lab
Telefon: +49 711 970-3654

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Biopolymers for 3D printing

Large quantities of previously unused, degradable biopolymers accrue in agriculture and forestry. They could be used for 3D printing, replacing the non-biological polymers that have been used en masse.

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In recent years, the technology of additive manufacturing, better known as 3D printing, has seen huge growth. A large proportion of the printed materials are plastics, which are used to print several trivial products such as disposable sunglasses that contribute to global waste and exacerbate the CO2 problem, as the German Federal Ministry of the Environment indicates in its study on the environmental impact of 3D printing. Alternative plastics made from biological material cannot solve this problem because they are not fully degradable and their production is energy-intensive. At the same time, large quantities of previously unused, degradable biopolymers accrue in agriculture and forestry, which have the potential to replace non-biological polymers. Some biopolymers such as cellulose have already been used in 3D printing. However, chemical binders such as formaldehyde have to be added to achieve mechanical properties similar to those of plastics, making the final products non-biodegradable.

Glossary

Biopolymers | Group of macromolecules produced in animal, plant or microbial cells. Examples are polysaccharides, proteins and DNA.

Enzymes | Proteins that accelerate a chemical reaction, similar to a catalyst.

Laccases | Enzymes that occur in many fungi, plants and microorganisms and whose representatives can oxidise tannins, among other things.

Transglutaminases | Enzymes that cross-link other proteins with or among each other.

Lignin | Complex macromolecules that act as a support structure in plant cell walls

Stable thanks to chitin from crab shells

Under the leadership of Dr Kristin Protte and Dr Oliver Schwarz, the research team at Fraunhofer IPA is working on the development of manufacturing processes for printable biopolymer materials that are completely biodegradable and achieve stability by use of cross-linking enzymes. The focus is on the use of adapted enzyme systems enabling the establishment of robust manufacturing processes.

A first project relates to the cross-linking of chitin, a long chain polymer of N-acetylglucosamine, a derivative of glucose, which is extracted from crab shells. After pre-treatment with hot lye, the scientists add laccase enzymes and natural tannins, also known as phenolic compounds, to the pre-treated chitin particles. This binds the tannins to the surface of the particles, which then form additional stable bonds. The scientists can better control the chain reaction that has now been sparked by placing the particles in a matrix of gelatine. The final curing process is accelerated by another enzyme, transglutaminase, which cross-links the gelatine. According to the selected combinations of enzyme and substrate concentrations and the process temperatures, Fraunhofer IPA was able to achieve mechanical properties similar to those of plastics.

Cross-linking enzymes for waste wood

In addition to chitin, the use of wood particles from broken wood and hardwood as a raw material for 3D printing is also being investigated. The central polymer for enzymatic cross-linking is lignin, which is known for its high mechanical stability. Natural layers, or coatings, which are also being developed by the IPA, serve as protection against premature degradation. Further projects on other biopolymers are in pipeline.

Close cooperation with the Centre for Additive Production at Fraunhofer IPA could help in the future to bring about innovative production methods and printing technologies for application with biodegradable printing materials, breaking new ground in the field of additive manufacturing in the process.

Biological transformation: biointelligent 3D printing

Anybody who wishes to implement sustainable production processes would be well-advised to look towards the example of nature. There is no waste in nature. Decaying material forms the basis of new life. The model is the circular economy. Businesses that produce and operate in line with the principles of nature are increasingly integrating natural materials, structures, processes and organisms in technology. Production is being transformed biologically, with the ultimate goal of generating biointelligent systems that incorporate high volumes of data and operate on a regenerative, cost-effective and highly flexible basis.

The research on biopolymers for 3D printing carried out by Kristin Protte and Oliver Schwarz facilitates the development of manufacturing processes for natural, biodegradable printing materials. It is an important step towards biointelligent 3D printing. The goal of all research projects is to be able to replace plastic products with an average service life of about two years. By dispensing with chemical binders and coatings, these printed objects are totally natural and biodegradable.

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Dr. Kristin Protte

Employee of the Virtual Orthopedic Lab
Phone: +49 711 970-3654