Werkstoffe 17.07.2017 0 Bewertung(en) Rating

Gedruckte 3D-Strukturen aus Cellulose-Nanokristallen

Forschern der Empa ist es gelungen, eine umweltfreundliche Tinte aus Cellulose-Nanokristallen für den 3D-Druck zu entwickeln. Dadurch lassen sich Mikrostrukturen mit herausragenden mechanischen Eigenschaften herstellen, die für Implantate und andere biomedizinische Anwendungen äußerst vielversprechend sind.

Um 3D-mikrostrukturierte Materialien etwa für Automobilkomponenten herzustellen, verwenden Empa-Forscher seit einem Jahr eine 3D-Druckmethode namens Direct Ink Writing (DIW). Dabei wird eine zähflüssige Masse – die Druckertinte – aus der Druckdüse gepresst und auf einer Oberfläche abgeschieden, in etwa so wie bei einer Nudelpresse. Den Empa-Forschenden Gilberto Siqueira und Tanja Zimmermann aus der Abteilung für Angewandte Holzforschung ist es nun zusammen mit Kolleginnen der Harvard University und der ETH Zürich gelungen, eine neue, umweltfreundliche 3D-Druckertinte aus Cellulose-Nanokristallen (CNC) zu entwickeln.

Cellulose ist nebst Lignin und Hemicellulose eine der Hauptkomponenten von Holz. Das Biopolymer besteht aus langen, in faserigen Strukturen organisierten Glukoseketten. An einigen Stellen weisen die Cellulosefibrillen eine geordnetere Struktur auf. "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 Cellulose-Nanokristalle, stäbchenartige Gebilde von 120 nm Länge und 6,5 nm Durchmesser. Daraus wollten die Forscher eine neuartige, umweltfreundliche 3D-Tinte entwickeln. Bisherige Tinten enthalten mit maximal 2,5 % CNC einen eher kleinen "biologischen" Anteil. Diese Menge wollte das Forschungsteam erhöhen, was ihnen nun gelungen ist: Die neuen Tinten enthalten rund 20 % CNC.

 - Die neuartige Tinte für 3D-Drucker enthält 20 % Cellulose und verleiht den Druckobjekten besonders positive mechanische Eigenschaften.
Die neuartige Tinte für 3D-Drucker enthält 20 % Cellulose und verleiht den Druckobjekten besonders positive mechanische Eigenschaften.
Empa

"Die größte Herausforderung bestand darin, eine visko-elastische Konsistenz zu erreichen, die auch durch die Düsen des 3D-Druckers gepresst werden kann", sagt 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. Das funktioniert zwar grundsätzlich, lieferte jedoch ein recht sprödes Material. Daher haben Siqueira und sein Team eine zweite Rezeptur auf Polymerbasis entwickelt, mit einem entscheidenden Vorteil: Nach dem Drucken und nach Aushärten mittels UV-Bestrahlung hatten sich CNC mit den Polymerbausteinen "quervernetzt", wodurch das Verbundmaterial eine deutlich höhere mechanische Festigkeit aufwies.

 - Der Vorteil des Direct Ink Writing liegt in der nahezu freien Materialauswahl für die Tinten. Man kann in die Kartuschen jede Art von Tinte mit unterschiedlichen Zusammensetzungen füllen und diese dann direkt und abwechselnd drucken.
Der Vorteil des Direct Ink Writing liegt in der nahezu freien Materialauswahl für die Tinten. Man kann in die Kartuschen jede Art von Tinte mit unterschiedlichen Zusammensetzungen füllen und diese dann direkt und abwechselnd drucken.
Empa

Wie man zusammenbringt, was sich nicht mag

Was sich im Nachhinein so einfach anhört, hat das Empa-Team indes eine Menge Kopfzerbrechen bereitet. "Die allermeisten Polymere sind wasserabweisend oder hydrophob, Cellulose hingegen wasserliebend – hydrophil. Folglich sind sie von Natur aus nicht sehr kompatibel", erklärt Siqueira. Die CNC-Oberfläche muss daher zunächst einmal chemisch verändert werden.

Nach den ersten Druckversuchen und der Röntgenanalyse der Mikrostrukturen ist den Forschern aufgefallen, dass sich die CNC im gedruckten Objekt nahezu perfekt in Druckrichtung ausgerichtet hatten. Daraus schlossen sie, dass die mechanische Kraft, mit der die Tinte durch die Druckerdüse gedrückt wird, ausreicht, um diese 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", erläutert Siqueira.

 - Stäbchenförmige Cellulose-Nanokristalle unter dem Mikroskop
Stäbchenförmige Cellulose-Nanokristalle unter dem Mikroskop
Empa

Vielseitige Möglichkeiten

Diese hervorragenden mechanischen Eigenschaften stellen einen entscheidenden Vorteil gegenüber anderen Materialien wie Kohlefasern dar, die ebenfalls in DIW-Tinten verwendet werden. Die neuartige Tinte besteht zudem aus einem erneuerbaren Material: Cellulose. "Cellulose ist das am häufigsten vorkommende natürliche Polymer der Erde", so Siqueira. Es kommt nicht nur in Bäumen, sondern auch in anderen Pflanzen und sogar in Bakterien vor. Die aus verschiedenen Cellulose-Quellen isolierten Kristalle unterscheiden sich dabei morphologisch und in ihrer Größe, nicht aber in ihren Eigenschaften. Diese könnten etwa in der Automobilindustrie oder für Verpackungen jeglicher Art interessant sein. "Das für mich wichtigste Anwendungsgebiet liegt allerdings in der Biomedizin", sagt Siqueira, "zum Beispiel für Implantate oder Prothesen." Das CNC-Material ermöglicht durch seine sehr guten mechanischen Eigenschaften sowie der Möglichkeit der chemischen Modifizierung und der Ausrichtung während des Druckens zahlreiche unterschiedliche Anwendungen, ist Siqueira überzeugt.

 - Ein mit der Cellulose-Tinte gedruckter Kieferknochen
Ein mit der Cellulose-Tinte gedruckter Kieferknochen
Empa

Diese Möglichkeiten werden an der Empa derzeit weiter erforscht. Zurzeit fokussiert sich ein Doktorand auf die Weiterentwicklung des Materials und der Druckmethode für andere Anwendungen. Außerdem soll in einem Master-Projekt eines Studenten weitere biobasierte Tinten entwickelt werden. "Die Forschung auf diesem Gebiet beginnt gerade erst", betont Siqueira. "Drucken mit Biopolymeren ist zurzeit ein echt heißes Thema."

db

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