Die Entwicklung additiver Fertigungstechniken boomt: Viele spannende Verfahren zur Herstellung komplexer Objekte aus unterschiedlichen Materialien wurden in den letzten Jahren entwickelt. Bereits seit einiger Zeit beschäftigen sich Forschende der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in Dübendorf dabei mit einem Baustoff der Natur: Das Biopolymer Cellulose ist der Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände und unter anderem für die Festigkeit von Holz verantwortlich. Das Team hat sich nun der Herausforderung gewidmet, dieses Material mittels 3D-Druck in Aerogele zu verwandeln, um gleich drei Aspekte zu nutzen: Cellulose belastet die Umwelt nicht und ist biokompatibel, mit dem 3D-Drucker lassen sich ohne Materialverschwendung komplexe Strukturen herstellen und die ultraleichten Aerogele bieten interessante Anwendungsmöglichkeiten.
Cellulose-Tinte für den Aerogel-Druck entwickelt
Cellulose-Formulierungen herzustellen, die als „Tinte“ in 3D-Druckern eingesetzt werden können, ist allerdings knifflig, betonen die Entwickler. Dabei ist das Fließverhalten entscheidend: Die Tinte muss dickflüssig genug sein, um vor der Aushärtung eine dreidimensionale Form halten zu können. Um durch die Druckerdüse strömen zu können, muss sie sich aber unter Druck verflüssigen. Um diese Merkmalskombination im Fall einer Cellulose-Tinte zu erreichen, erzeugten die Wissenschaftler zwei Versionen des Materials: Cellulose-Nanokristalle und Cellulose-Nanofasern. Wie sich zeigte, ermöglicht eine Mischung dieser Stoffe tatsächlich die gewünschten Merkmale. Wie die Forschenden erklären, führen die langen Nanofasern dabei zu einer hohen Viskosität, die eher kurzen Kristalle sorgen dagegen dafür, dass unter Druck eine sogenannte Scherverdünnung eintritt – die Tinte wird vorübergehend flüssig.
Als optimal stellte sich eine Flüssigkeit heraus, die aus insgesamt zwölf Prozent Zellulose und 88 Prozent Wasser besteht. Besonders ist dabei: „Wir konnten die benötigten Eigenschaften alleine mit Cellulose erreichen, ohne jegliche Zusätze und Füller“, sagt Erstautor Deeptanshu Sivaraman von der Empa. Die Cellulose-Tinte lässt sich im 3D-Druckverfahren einsetzten, um formstabile Rohlinge herzustellen, zeigten die Versuche. Durch ein Trocknungsverfahren kann das Wasser dann schließlich durch Luft ersetzt werden, ohne dass es zu Formveränderungen kommt, erklären die Forschenden. So entsteht am Ende ein ultraleichtes, poröses Gebilde aus Cellulose – ein geformtes Aerogel.
