Nachhaltigkeit : So bio ist 3D-Druck
Die 3D Druckindustrie wächst in den letzten zehn Jahren stetig an. Obwohl der 3D Druck immer noch weniger als ein Prozent des globalen Fertigungsmarktes ausmacht, wird die Technologie immer wichtiger. Im Jahr 2019 wuchs der weltweite Markt für additive Fertigung auf über 10,4 Milliarden US-Dollar an und überschritt damit zum ersten Mal in seiner fast 40-jährigen Geschichte die zweistellige Grenze.
Analysten rechnen zudem mit einem jährlichen Wachstum zwischen 18,2 und 27,2 Prozent und damit, dass sich der Markt für den 3D Druck alle drei Jahre verdoppeln wird. Wo 3D Drucken die höchste Akzeptanz und die höchsten Investitionsquoten findet, ist in den USA, Großbritannien, Deutschland, Frankreich und China.
Materialien in der additiven Fertigung
Oftmals kommen in der additiven Fertigung Thermoplaste, also Kunststoffe, die sich gut erhitzen und dann Schicht für Schicht auftragen lassen, zum Einsatz. Deren großer Nachteil ist, dass sie eine Belastung für die Umwelt darstellen und speziell entsorgt werden müssen. Die Forschung arbeitet daher intensiv an Alternativen zu umweltschädlichen 3D-Materialien.
Breit verfügbar ist heute nur die biologisch abbaubare Polymilchsäure (PMA), auch bekannt unter dem englischen Namen Polylactic Acid (PLA). Eingesetzt wird PLA vor allem in der Technologie des FDM-3D-Drucks. Hier kann es wegen seiner thermoplastischen Eigenschaften geschmolzen und umgeformt werden. PMA/PLA wird in speziellen Kompostieranlagen abgebaut. Gegenüber den bekannten Kunststoffen auf Erdölbasis ist es allerdings weniger fest und kristallin.
Ein anderer Biokunststoff ist Polyhydroxyalkanoate (PHA), das durch die Kultivierung spezieller Bakterien gewonnen wird. PLA ist wohl das am weitesten verbreitete 3D-Druck-Material im FDM-Druck. Für den 3D-Druck befindet sich PHA noch in der Entwicklung und ist deshalb für Anwender sehr teuer. Es ist aber deutlich schneller biologisch abbaubar als PLA und zersetzt sich in weniger als drei Monaten. Im Vergleich zu anderen Biokunststoffen weist PHA allerdings auch eine geringere Flexibilität und Festigkeit sowie geringere thermische Eigenschaften auf. Bislang wird das Material vor allem im Verbund mit anderen Kunststoffen verwendet. Aus Zellulose und Chitin wird FLAM (Fungal like additive material) produziert, ein neuartiges natürliches Material, das den 3D-Druck revolutionieren könnte.
An FLAM wird noch geforscht und es ist nicht am Markt erhältlich. Die ersten Ergebnisse zeigen aber bereits, dass FLAM ein großes Potenzial als ökologisch nachhaltiges Material besitzt. Es handelt sich um ein vielseitiges Material, dessen mechanische Eigenschaften fast identisch mit denen von Polyurethanschaum sind. Die natürlichen Ausgangsstoffe gibt es en masse, das Material selbst wird nur ein Zehntel so teuer sein wie etwa PLA.
Eine ebenfalls umweltfreundlichere Alternative zu biologisch abbaubaren Filamenten sind solche aus recyceltem Kunststoff. Die Mehrzahl der im 3D-Druck eingesetzten Kunststoffe könnte eigentlich wiederverwertet und zu neuen Ausgangsmaterialien verarbeitet werden. Auch abbaubare Verbundwerkstoffe können künftig breit für additive Produktionsverfahren erhältlich sein. Dazu gehört die Kombination von PLA und PHA oder das Material WoodFill aus PLA und Holzfasern. Noch sind solche Materialien nicht weit verbreitet, doch das werden sie mit steigenden Umweltanforderungen wohl werden.