Statt gegossen, geformt oder gefräst wird gedruckt: Techniken zur Herstellung dreidimensionaler Objekte durch das additive Auftragen von Substanzen haben bereits in viele Anwendungsbereiche Einzug gehalten. Dabei werden die Verfahren weiter verfeinert und neue Materialien für spezielle 3D-Druckssysteme entwickelt. Neben vielen unterschiedlichen Kunststoffen können auch schon Baumaterialien für spezielle Verfahren eingesetzt werden. Auch Konzepte zur Nutzung von biologisch abbaubaren Substanzen wie etwa Zellulose wurden bereits entwickelt. An solchen Ansätzen arbeitet auch das Team um Michael Rivera von der University of Colorado in Boulder. Dabei loten die Forscher aus, inwieweit sich auch weniger aufbereitete Grundsubstanzen für die Herstellung einer nachhaltigen 3D-Drucker-Paste eignen könnten.
Grundsubstanz mit Symbolcharakter
Wie Rivera berichtet, kam er auf die Idee mit dem Kaffeesatz durch ein Gespräch mit dem Besitzer eines Cafés während der Covid-19-Pandemie. Normalerweise wurden die großen Mengen an gebrauchtem Kaffeesatz dort regelmäßig abgeholt und zu einer Kompostierungsanlage gebracht. Doch im Zuge der Pandemie klappte dies nicht mehr zuverlässig und so sammelten sich enorme Mengen Kaffeesatz an. Beim Blick auf die Abfallberge kam dem Wissenschaftler dann die Idee, dass sich das Material vielleicht für den Einsatz im 3D-Druck eignen könnte. Wie Rivera erklärt, kommen in den derzeit am weitesten verbreiteten 3D-Druckern sogenannte Thermoplaste als Druckmaterial zum Einsatz. Dabei sind zwar auch schon Polymilchsäuren (PLA) gebräuchlich – sie sind aber nur unter bestimmten Bedingungen in speziellen Kompostieranlagen gut biologisch abbaubar. „Auf einer Mülldeponie, wo der Großteil des PLA landet, dauert es hingegen bis zu 1000 Jahre, bis es sich zersetzt“, sagt Rivera. Der Einsatz des rein pflanzlichen Kaffeesatzes könnte demnach vorteilhaft sein und zudem ein weitverbreitetes Abfallprodukt nutzbar machen, so die Idee.
So begannen Rivera und seine Kollegen auszuloten, inwieweit sich die Substanz in eine praktikable Drucker-Paste verwandeln lässt. Dazu wurde das Labor zur Versuchsküche, in der die Forscher das Ausgangsmaterial mit verschiedenen Testsubstanzen versetzten. Wie sich zeigte, ist das optimale Rezept überraschend wenig kompliziert und kann eigentlich von jedem Interessierten zuhause „nachgekocht“ werden. Dem getrockneten und fein gemahlenen Kaffeesatz müssen demnach nur zwei leicht erhältliche Pulver-Substanzen zugegeben werden, die zu einer Gelierung und späteren Aushärtung führen: Zellulosegummi und Xanthan. Beides sind biologisch abbaubare Stoffe, die häufig in Lebensmitteln eingesetzt werden.
Erfolgreiches Rezept
Der Mischung wird dann Wasser zugegeben, sodass eine zähe Paste entsteht. „Sie hat in etwa die Konsistenz von Erdnussbutter“, sagt Rivera. Das Material kann dann mithilfe von ein paar zusätzlichen Schläuchen und einer Spritze in einem herkömmlichen 3D-Drucker zum Einsatz kommen. So lassen sich je nach Design-Programm verschiedene Gebilde erzeugen, die anschließend luftgetrocknet werden. Dabei entwickeln sie eine beachtliche Festigkeit, die der von bestimmten Beton-Substanzen entspricht, sagen die Forscher.
