Fraunhofer Institut forscht an Insekten-inspiriertem Holzbindemittel für 3D-Druck

Kreislaufwirtschaft und additive Fertigung werden häufig in einem Atemzug mit Nachhaltigkeit genannt. Obwohl die additive Fertigung insgesamt für ressourcenschonende Produktion steht, sind viele der verwendeten Materialien gar nicht oder nur teilweise in den ökologischen Kreislauf rückführbar. Eine Forschungsgruppe des Fraunhofer IPA und Fraunhofer IME arbeitet nun daran, einen biologisch abbaubaren Holzklebstoff zu entwickeln, der für eine tatsächlich umweltschonende Produktion mit 3D-Druck sorgen könnte. Im Rahmen des Projekts IWB – Insect Inspired Wood Binder wollen die Forscher ein biologisches Holzbindemittel für den 3D-Druck entwickeln, das dem Circonomy-Prinzip von Fraunhofer entspricht.

Die Krux mit der Nachhaltigkeit

Beim 3D-Druck werden zum Großteil Materialien verarbeitet, die tatsächlich für das Endteil benötigt werden. Durch die additive Fertigungsweise kann im Vergleich zu subtraktiven Verfahren Material gespart werden und es kommt zu insgesamt weniger Abfall. Außerdem ermöglicht der 3D-Druck eine an der Auftragslage orientierte Produktion, das heißt, es wird nur produziert, was benötigt wird. In diesem Sinne erscheint der 3D-Druck als äußerst umweltschonend und nachhaltig. Dennoch muss nachgesetzt werden, dass auch der 3D-Druck in puncto Nachhaltigkeit Verbesserungspotential offen lässt. Ein erheblicher Teil der durch 3D-Druck erzeugten Produkte besteht vollständig oder teilweise aus nicht kompostierbaren Erdölerzeugnissen. Auch biobasierte Varianten von Polylactiden sind nur eingeschränkt wiederverwertbar, was dem Ziel der Kreislaufwirtschaft im Wege steht.

Das Holzbindemittel des Fraunhofer-Instituts soll dazu beitragen, die 3D-gedruckten Objekte tatsächlich wieder in den biologischen Kreislauf zurückzuführen. (Bild: Fraunhofer IPA)

Gleichzeitig gibt es viele biologische Abfälle der Forstwirtschaft, die häufig keine Wiederverwertung finden, wie etwa Borkenkäferbefall oder Sturmschäden. Obwohl es bereits zahlreiche Projekte gibt, die Holzabfälle für den 3D-Druck verwenden und für den Möbeldruck und Designs nutzen, gibt es große Mengen an Abfall, die ungenutzt bleiben. Zudem ist das vorbildliche Holz-Upcycling mittels 3D-Druck derzeit nur durch Zugabe eines nicht biologisch abbaubaren Bindemittels oder thermoplastischer Kunststoffe möglich. Für eine effektive Rückführung in den Kreislauf müssten die Polymere und die Naturfasern wieder voneinander getrennt werden. Ein alternativer Ansatz ist es, den Klebstoff durch eine natürliche Variante zu ersetzen: Hier setzt das Forschungsprojekt der Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) und des Institutsteils Bioressourcen im Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie (IME) an. Der von ihnen entwickelte Holzklebstoff soll vollständig biologisch abbaubar sein und jeder Witterung trotzen. Dafür nehmen sich die Wissenschaftler Vorbilder aus der Natur.

Insekten-inspiriertes Binder Jetting

Insekten wie Hornissen können mit ihrem Speichel abgefressene Holzpartikel zu einem papierähnlichen Material verarbeiten und so ihre Wabennester bauen. Diese Nester sind sehr leicht, aber auch stabil und witterungsbeständig. Ein weiteres Beispiel aus dem Bereich der Biometrik, an dem sich die Forscher orientieren, ist das Verhalten der Köcherfliegenlarven. Die Fliegenlarven verkleben mit ihrer klebrigen Seide Pflanzenteile und stellen so ihre wasserfesten Schutz-Köcher her. Die Forscher des Fraunhofer Instituts wollen die entsprechenden Enzyme und Proteine im Hornissenspeichel und in der Seide von den Köcherfliegenlarven identifizieren und in weiterer Folge biotechnologisch zu Holzklebstoff verarbeiten.

Das Holzbindemittel fungiert als Klebstoff bzw. Binder für die Binder Jetting-Technologie mit Holzpulver. (Bild: Fraunhofer IPA)

Dazu werden die im Labor hergestellten Proteine mittels molekularbiologischer Methoden zu einer Klebstoffsuspension verarbeitet, die ebenfalls die isolierten Enzyme und Klebemoleküle enthält. Der flüssige Endstoff soll in seiner schlussendlichen Zusammensetzung dem Insektenspeichel ähneln und darüber hinaus bestimmte Fließeigenschaften aufweisen, sodass sich der Klebstoff für die additive Fertigung einsetzen lässt. Die Klebetinte kann so im Inkjet-Verfahren zum Einsatz kommen und als Binder für Holzpulver-Binder-Jetting verwendet werden. Im Binder Jetting Verfahren wird der Klebstoff auf das Holzpulver aufgetragen und sorgt dafür, dass sich das Pulver verklebt und so ein 3D-Objekt entsteht. Da der Holzklebstoff völlig frei von chemischen Bindern und Harzen ist, können die hergestellten Teile nach ihrer Nutzung vollständig in den biologischen Kreislauf zurückgeführt werden.

Der Ansatz des Fraunhofer-Instituts, mithilfe von bisher unbekannten Klebemolekülen eine ökologische und stabile Klebstoffsuspension herzustellen, ist für eine Vielzahl von Anwendern und Unternehmen interessant. Das Projekt läuft noch bis Ende Februar 2024, bis Mitte 2024 sind mit den ersten Ergebnissen zu rechnen. Mehr dazu finden Sie HIER.

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*Titelbildnachweis: Pixabay