Interview 3D-Druck als potenzielles Upcycling von Reststoffen

07.11.2022 I Das GesprĂ€ch fĂŒhrte Jule Hoher

Technische UniversitÀt Bergakademie Freiberg

In einem Reallabor fĂŒr nachhaltige Additive Fertigung in Sachsen werden Produkte aus recycelten Roh- und Reststoffen per 3D-Druck hergestellt. Doch wie genau funktioniert die Weiterverarbeitung und warum bietet sich der 3D-Druck so gut an?

Forschende an den Technischen UniversitĂ€ten Freiberg, Chemnitz und Dresden wollen zusammen in einem neu gestarteten Projekt lokale Reststoffe additiv zu Werk- und WertstĂŒcken weiterverarbeiten. In unserem Interview geben Prof. Henning Zeidler, Inhaber der Professur fĂŒr Additive Fertigung an der TU Bergakademie Freiberg, und Leif Micke, ebenfalls Mitglied des Projektteams, gemeinsam Auskunft ĂŒber die HintergrĂŒnde der Prozedur sowie den genauen Ablauf im Labor.

Wie kam es zum Projekt und wie sahen die ersten TestverlÀufe aus?

An der TU Bergakademie Freiberg beschĂ€ftigen wir uns schon seit mehreren Jahren mit der Additiven Fertigung auf Basis biobasierter Materialien und insbesondere Reststoffen. Neben der Grundlagenforschung sind auch in der Praxis nutzbare, industrielle Anwendungen wichtig. Die Ausschreibung des sĂ€chsischen Staatsministeriums fĂŒr Regionalentwicklung fĂŒr ein Reallabor fĂŒr innovationsgestĂŒtzte regionale Wertschöpfung hat uns die Chance gegeben, unsere Forschung fĂŒr eine Vielzahl an kleinen oder mittleren Unternehmen nutzbar zu machen. In diesem Zuge ist es auch möglich, die 3D-Drucker in ihrer GrĂ¶ĂŸe hoch zu skalieren, um große Bauteile zu fertigen, was die Anwendungsmöglichkeiten nochmals stark erweitert.

FĂŒr dieses Vorhaben sind starke Partner erforderlich – wir haben mit dem Institut fĂŒr Naturstofftechnik der TU Dresden die Expertise auf der Materialseite mit ins Boot geholt. ZusĂ€tzlich arbeiten wir fĂŒr die umfangreiche Digitalisierungskomponente mit der Professur Arbeitswissenschaft und Innovationsmanagement der TU Chemnitz zusammen. Gemeinsam wollen wir eine digitalisierte Kreislaufwirtschaftsgemeinschaft in Sachsen etablieren und haben bereits mit einigen Unternehmen und weiteren Akteuren Vorversuche gestartet. Unter anderem wurden Komponenten fĂŒr BĂŒhnenbilder aus Miscanthus im Binder Jetting gefertigt. Gerade auf Parameter- und Maschinenseite haben wir dort viel tun mĂŒssen, um die großen Teile prozessstabil bauen zu können.

Welche Voraussetzungen oder Eigenschaften mĂŒssen die Roh- und Reststoffe erfĂŒllen, um als Material dienen zu können?

Geeignete Reststoffe fallen zum Beispiel in der industriellen oder handwerklichen Fertigung, der Landwirtschaft, Lebensmittelverarbeitung und so weiter an. Aktuell werden diese nicht oder nur minderwertig genutzt, also beispielsweise lediglich zur Energienutzung verbrannt. Hier wollen wir die stoffliche Nutzung erreichen. Da wir uns bei der Technologie auf das Binder Jetting und damit auf ein Pulverbettverfahren fokussieren, ist eine möglichst geringe PartikelgrĂ¶ĂŸe des Reststoffs von Vorteil. Dadurch bleibt die zusĂ€tzliche Energie, die zur Pulveraufbereitung wie etwa fĂŒr Mahlen und Sieben benötigt wird, gering. Das reduziert Kosten und Umweltauswirkungen. Wir arbeiten momentan im Bereich von 200 Mikrometern und darunter, auch um eine akzeptable FließfĂ€higkeit fĂŒr den Schichtauftrag einstellen zu können. Da wir die Partikel mit Bindern verkleben, sind sehr viele Materialien nutzbar – je nach Anwendungsbereich des Produkts. Wir haben unseren Schwerpunkt momentan bei den nachwachsenden Rohstoffen, da diese meist auch eine gute Bioabbaubarkeit ermöglichen. Es sind aber auch andere Reststoffe denkbar, die in Pulverform gebracht werden können.

Aktuell ist es noch so, dass Unternehmen nachwachsende Roh- oder Reststoffe aus der Produktion an das Labor liefern und anschließend ein daraus gefertigtes Produkt erhalten. Soll das Verfahren so bleiben, oder ist angedacht, dass die Unternehmen mit Ihrer Technologie irgendwann an den eigenen Standorten drucken können?

Das Reallabor soll es den Unternehmen ermöglichen, die Technologien der Additiven Fertigung fĂŒr ihre GeschĂ€ftsfelder auszuprobieren, ohne zuvor in teure Anlagen investieren zu mĂŒssen. Dabei gehen wir davon aus, dass einige der Firmen nach erfolgreichen Versuchen selbst in Anlagen investieren, um am eigenen Standort eine Fertigung fĂŒr die evaluierten Produkte aufzubauen.

Auf welche Art und Weise werden die Rohstoffe verarbeitet?

Das Eingangsmaterial wird bei uns zunĂ€chst hinsichtlich seiner Verteilung der PartikelgrĂ¶ĂŸe sowie dem Feuchtigkeitsgehalt untersucht. Anschließend erfolgt gegebenenfalls eine Trocknung, sowie je nach PartikelgrĂ¶ĂŸenverteilung ein zusĂ€tzliches Mahlen oder ein Sieben beziehungsweise Sichten zur Separierung der nutzbaren Fraktionen. Die aufbereiteten Pulver können anschließend mit einem abgestimmten Bindersystem im Binder Jetting Verfahren verarbeitet werden. Eine Nachbearbeitung kann je nach erforderlichen Endeigenschaften durch Beschichten oder Infiltrieren erfolgen.

Warum bietet sich dafĂŒr gerade der 3D-Druck so gut an?

Die Additive Fertigung, insbesondere das Binder Jetting Verfahren, ist sehr gut fĂŒr den Einsatz von Reststoffen geeignet, da diese oft in kleinen PartikelgrĂ¶ĂŸen, wie als SpĂ€ne oder StĂ€ube anfallen und das Verfahren ein pulverförmiges Ausgangsmaterial nutzt. Dadurch können verschiedenste Materialien verarbeitet werden, solange ein ausreichend fließfĂ€higes Pulver vorliegt. Des Weiteren bietet der 3D-Druck durch die Freiheit in der Bauteilgestaltung große Potentiale fĂŒr ein Upcycling der Reststoffe. Individualisierte Produkte sowie komplexe Geometrien mit zum Beispiel akustischer Funktion können mit vergleichbar geringem Aufwand gefertigt werden.

Zum Einsatz kommen könnten beispielsweise HolzspÀne und -staub aus SÀgewerken oder Spreu Stroh aus Erntemaschinen. Gibt es noch anderes geeignetes Material?

Entsprechend der genannten Voraussetzungen gibt es viele weitere geeignete Materialien – wir selbst haben bereits erfolgreich Nussschalen, Obstkerne, Papierfasern, Muschelkalk und vieles weitere verarbeitet. Im Rahmen des Projekts wollen wir Unternehmen auf diese versteckten Potentiale aufmerksam machen und gemeinsam neue Materialien im 3D-Druck erproben. Wir sind dabei sehr gespannt, herauszufinden, welche Reststoffe bei den sĂ€chsischen Unternehmen anfallen.

Sie haben auch schon mit Aprikosenkernmehl gearbeitet. Wie genau funktioniert hier der Prozess?

Die Aprikosenkerne erhalten wir als BruchstĂŒcke – der weiche innere Teil wurde industriell genutzt und die harte Schale bleibt ĂŒbrig. Wir sieben und mahlen gegebenenfalls auf die benötigte PartikelgrĂ¶ĂŸe und verarbeiten das Pulver dann im Binder Jetting mit einem biobasierten und bioabbaubaren Binder. AbhĂ€ngig vom Anwendungsfall – Stichwort Wasserfestigkeit oder mechanische Festigkeit – kann das Bauteil dann noch beschichtet oder infiltriert werden. Wir haben das Bauteil, um zum Beispiel wasserabweisende Eigenschaften zu erreichen, nach dem Drucken mit Bienenwachs behandelt. Dadurch ist es weiterhin bioabbaubar, beziehungsweise kompostierbar.

Vielen Dank fĂŒr das interessante GesprĂ€ch an Sie beide.

 

Foto: ©Crispin Mokry