Nachahmung der Ultrastruktur von Holz mit 3D-Druck für umweltfreundliche Produkte

Forschern an der Chalmers University of Technology in Schweden ist es gelungen, mit einer Tinte auf Holzbasis 3D-Drucke zu erstellen, die die einzigartige “Ultrastruktur” von Holz nachahmen. Ihre Forschung könnte die Herstellung umweltfreundlicher Produkte revolutionieren. Durch die Nachahmung der natürlichen Zellarchitektur von Holz können sie jetzt umweltfreundliche Produkte aus Bäumen mit einzigartigen Eigenschaften herstellen – von Kleidung, Verpackung und Möbeln bis hin zu Gesundheits- und Körperpflegeprodukten.

Die Art und Weise, wie Holz wächst, wird durch seinen genetischen Code gesteuert, der ihm einzigartige Eigenschaften in Bezug auf Porosität, Zähigkeit und Torsionsfestigkeit verleiht. Bei der Verarbeitung von Holz gibt es jedoch Grenzen. Im Gegensatz zu Metallen und Kunststoffen kann es nicht geschmolzen und leicht umgeformt werden, sondern muss gesägt, gehobelt oder gebogen werden. Prozesse, die eine Umwandlung beinhalten, um Produkte wie Papier, Pappe und Textilien herzustellen, zerstören die zugrunde liegende Ultrastruktur oder Architektur der Holzzellen. Die jetzt vorgestellte neue Technologie ermöglicht es jedoch, Holz durch 3D-Druck in genau die Form zu bringen, die für das Endprodukt gewünscht wird.

Durch die frühere Umwandlung von Zellstoff in ein Nanocellulosegel war es den Forschern von Chalmers bereits gelungen, eine Art Tinte zu entwickeln, die dreidimensional gedruckt werden konnte. Jetzt stellen sie einen großen Fortschritt dar – die erfolgreiche Interpretation und Digitalisierung des genetischen Codes von Holz, damit ein 3D-Drucker unterrichtet werden kann.

Dies bedeutet, dass jetzt die Anordnung der Cellulose-Nanofibrillen während des Druckprozesses präzise gesteuert werden kann, um die gewünschte Ultrastruktur von Holz tatsächlich zu replizieren. In der Lage zu sein, die Ausrichtung und Form zu verwalten, bedeutet, dass sie die nützlichen Eigenschaften von Naturholz erfassen können.

“Dies ist ein Durchbruch in der Herstellungstechnologie. Es ermöglicht uns, über die Grenzen der Natur hinauszugehen und neue nachhaltige, umweltfreundliche Produkte zu schaffen. Dies bedeutet, dass Produkte, die heute bereits auf Waldbasis hergestellt werden, jetzt in einem 3D-Druckverfahren gedruckt werden können viel kürzer. Und die Metalle und Kunststoffe, die derzeit im 3D-Druck verwendet werden, können durch eine erneuerbare, nachhaltige Alternative ersetzt werden”, sagt Professor Paul Gatenholm, der diese Forschung im Wallenberg Wood Science Center an der Chalmers University of Technology geleitet hat.

Ein weiterer Fortschritt gegenüber früheren Forschungen ist die Zugabe von Hemicellulose, einem natürlichen Bestandteil von Pflanzenzellen, zum Nanocellulosegel. Die Hemicellulose wirkt als Klebstoff und verleiht der Cellulose eine ausreichende Festigkeit, um auf ähnliche Weise wie der natürliche Prozess der Verholzung, durch den die Zellwände aufgebaut werden, nützlich zu sein.

Die neue Technologie eröffnet ganz neue Möglichkeiten. Produkte auf Holzbasis könnten jetzt zu einem im Vergleich zu Naturholz erheblich kürzeren Zeitpunkt entworfen und auf Bestellung „angebaut“ werden.

Die Gruppe von Paul Gatenholm hat bereits einen Prototyp für ein innovatives Verpackungskonzept entwickelt. Sie druckten Wabenstrukturen mit Kammern zwischen den gedruckten Wänden aus und schafften es dann, feste Partikel in diesen Kammern einzukapseln. Cellulose weist hervorragende Sauerstoffsperreigenschaften auf, was bedeutet, dass dies eine vielversprechende Methode zur Herstellung luftdichter Verpackungen für beispielsweise Lebensmittel oder Arzneimittel sein könnte.

“Die Herstellung von Produkten auf diese Weise könnte zu enormen Einsparungen bei Ressourcen und schädlichen Emissionen führen”, sagt er. “Stellen Sie sich zum Beispiel vor, wir könnten anfangen, Verpackungen vor Ort zu drucken. Dies wäre eine Alternative zu den heutigen Industrien, die stark auf Kunststoffe und CO2-erzeugenden Transport angewiesen sind. Verpackungen könnten auf Bestellung ohne Abfall entworfen und hergestellt werden.”

Sie haben auch Prototypen für Gesundheitsprodukte und Kleidung entwickelt. Ein weiterer Bereich, in dem Paul Gatenholm ein großes Potenzial für die Technologie sieht, liegt im Weltraum. Er ist der Ansicht, dass dies der perfekte erste Prüfstand für die Weiterentwicklung der Technologie ist.

“Das Ausgangsmaterial von Pflanzen ist fantastisch erneuerbar, so dass die Rohstoffe vor Ort während einer längeren Raumfahrt, auf dem Mond oder auf dem Mars produziert werden können. Wenn Sie Nahrungsmittel anbauen, wird es wahrscheinlich sowohl Zugang zu Cellulose als auch zu Hemicellulose geben.” sagt Paul Gatenholm.

Die Forscher haben ihre Technologie bereits erfolgreich in einem Workshop bei der Europäischen Weltraumorganisation ESA demonstriert und arbeiten mit Florida Tech und der NASA an einem weiteren Projekt, einschließlich der Prüfung von Materialien in Mikrogravitation.

“Reisen im Weltraum haben immer als Katalysator für die Materialentwicklung auf der Erde gewirkt”, sagt er.

Der Artikel “Materials from trees assembled by 3-D printing—Wood tissue beyond nature limits” wurde in Applied Materials Today veröffentlicht.