Cellulose als alternatives 3D-Druckmaterial zu Kunststoff?

Seit Jahrhunderten bildet Cellulose the Basis für das meist-bedruckte Material: Papier. Laut MIT Forschern könnte Cellulose zukünftig aber auch eine erneuerbare und biologisch abbaubare Alternative zu Kunststoffen im 3D-Druck darstellen.

Cellulose ist die am häufigsten vorkommende organische Verbindung und ein bedeutender Rohstoff. Sie verleiht Holz seine mechanischen Fähigkeiten und wird in einer Reihe von Bereichen eingesetzt, dadrunter in der Medizin, für Arzneimittel, Lebensmittelzusätze, Baumaterialien und Kleidung, um nur einige zu nennen.

MIT Forscher Sebastian Pattison, Autor der Studie mit dem Titel “Additive Manufacturing of Cellulosic Materials with Robust Mechanics and Antimicrobial Functionality” die im Journal Advanced Materials Technologies veröffentlicht wurde,  hat mit seinem Team eine neue Methode entwickelt, um Cellulose auch als 3D-Druckmaterial einsetzen zu könne.

Versuche dazu gab es bereits einige, jedoch steht man zahlreichen Hindernissen gegenüber. Wenn Cellulose erhitzt wird, zersetzt sie sich thermisch bevor sie fließfähig wird, was teilweise auf die Wasserstoffbrücken zwischen den Cellulosemolekülen zurückzuführen ist. Die zwischenmolekularen Bindungskräfte machen hochkonzentrierte Lösungen aus Cellulose außerdem zu viskos zum Extrudieren.

Celluloseacetat als am besten geeignetes Material

Das Forscherteam entschied sich daher mit Celluloseacetat zu arbeiten, ein Material das einfach aus Cellulose hergestellt werden kann und bereits in großen Mengen verfügbar ist, da es beispielsweise in der Textilindustrie verarbeitet wird. Bei Celluloseacetat wird die Anzahl der Wasserstoffbrücken durch Acetatgruppen reduziert. Die Verbindung kann somit in Aceton aufgelöst und durch eine Düse extrudiert werden. Da Aceton schnell verdampft, verfestigt sich das Celluloseacetat an Ort und Stelle. In einem nachträglichen Verfahren können die Acetatgruppen noch ersetzt werden um die 3D-gedruckten Teile noch stärker, als beispielsweise ABS oder PLA ist, zu machen. Pattinson erklärt:

“After we 3-D print, we restore the hydrogen bonding network through a sodium hydroxide treatment. We find that the strength and toughness of the partswe get … are greater than many commonly used materials” for 3-D printing, including acrylonitrile butadiene styrene (ABS) and polylactic acid (PLA).

Um die chemische Vielseitigkeit des Verfahrens zu demonstrieren, wurde dem Celluloseacetat eine kleine Menge eines antimikrobiellen Farbstoffs beigemischt und eine chirurgische Pinzette gedruckt. Wenn nun fluoreszierendes Licht auf die Pinzette trifft, werden Bakterien getötet. Diese Art von chirurgischen Instrumenten könnte besonders in abgelegenen Gegenden eingesetzt werden, in denen man lange auf Ersatz warten müsste, oder auch für maßgeschneiderte, speziell angepasste chirurgische Instrumente. Die antimikrobiellen Eigenschaften sorgen zusätzlich für Sterilität, sollte der Operationssaal nicht ideal und steril genug sein.

Schnellerer Druckprozess und günstiges Material

Da der Duckprozess für das Cellulosematerial bei Raumtemperatur stattfindet, glaubt Pattinson, dass man die Druckgeschwindigkeit im Vergleich zu Extrusionsverfahren, die auf hohen Temperaturen beruhen, noch weiter beschleunigen kann. Mit heißer Luft würde man zusätzlich das Verdampfen des Acetons nach dem Extrudieren beschleunigen. Außerdem könnte dieses in einem Recyclingprozess wieder zurückgeführt werden und das Verfahren sowohl günstiger als auch umweltfreundlicher machen.

Celluloseacetat ist ein Grunderzeugnis und in großen Mengen preislich vergleichbar mit thermoplastischen Kunststoffen, die beispielsweise für Spritzgießverfahren verwendet werden, und weitaus günstiger als Filament.

Dieser Faktor kombiniert mit der Tatsachen, dass der Prozess bei Raumtemperatur stattfinden und das Material mit Zusätzen auch funktionell gemacht werden kann, könnte es auch kommerziell attraktiv machen.