Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

3D-Druckertinte aus dem Wald

Gedruckte 3D-Strukturen aus Cellulose-Nanokristallen

31.05.2017

Empa

Stäbchenförmige Cellulose-Nanokristalle von rund 120 Nanometer Länge und 6.5 Nanometer Durchmesser unter dem Mikroskop.

Forschern der Empa ist es gelungen, eine umweltfreundliche Tinte aus Cellulose-Nanokristallen für den 3D-Druck zu entwickeln. Dadurch lassen sich Mikrostrukturen mit herausragenden mechanischen Eigenschaften herstellen, die für Implantate und andere biomedizinische Anwendungen äusserst viel versprechend sind.

Um 3D-mikrostrukturierte Materialien etwa für Automobilkomponenten herzustellen, verwenden Empa-Forscher seit einem Jahr eine 3D-Druckmethode namens «Direct Ink Writing» (DIW). Dabei wird eine zähflüssige Masse – die Druckertinte – aus der Druckdüse gepresst und auf einer Oberfläche abgeschieden, in etwa so wie bei einer Nudelpresse. Den Empa-Forschenden Gilberto Siqueira und Tanja Zimmermann aus der Abteilung für Angewandte Holzforschung ist es nun zusammen mit Kollegen der Harvard University und der ETH Zürich gelungen, eine neue, umweltfreundliche 3D-Druckertinte aus Cellulose-Nanokristallen (CNC) zu entwickeln.

Cellulose ist nebst Lignin und Hemicellulose eine der Hauptkomponenten von Holz. Das Biopolymer besteht aus langen, in faserigen Strukturen organisierten Glukoseketten. An einigen Stellen weisen die Cellulosefibrillen eine geordnetere Struktur auf. «Die Stellen mit höherer Ordnung erscheinen in kristalliner Form. Und genau diese Abschnitte, die wir mittels Säure aufreinigen können, benötigen wir für unsere Forschung», erklärt Siqueira. Das Endprodukt sind Cellulose-Nanokristalle, stäbchenartige Gebilde von 120 Nanometer Länge und 6.5 Nanometer Durchmesser. Und genau daraus wollten die Forscher eine neuartige, umweltfreundliche 3D-Tinte entwickeln. Bisherige Tinten enthalten mit maximal 2.5 Prozent CNC einen eher kleinen «biologischen» Anteil. Diese Menge wollte das Empa-Team erhöhen – was ihnen nun gelungen ist: Die neuen Tinten enthalten satte 20 Prozent CNC.

«Die grösste Herausforderung bestand darin, eine visko-elastische Konsistenz zu erreichen, die auch durch die Düsen des 3D-Druckers gepresst werden kann», sagt Siqueira. Die Tinte muss also «zäh» genug sein, damit das gedruckte Material auch vor dem Trocknen oder Härten «in Form» bleibt und nicht sofort wieder zerfliesst. Die ersten CNC-Mixturen basierten auf Wasser. Das funktioniert zwar grundsätzlich, lieferte jedoch ein recht sprödes Material. Daher haben Siqueira und Co. eine zweite Rezeptur auf Polymerbasis entwickelt – mit einem entscheidenden Vorteil: Nach dem Drucken und nach Aushärten mittels UV-Bestrahlung hatten sich CNC mit den Polymerbausteinen «quervernetzt», wodurch das Verbundmaterial eine deutlich höhere mechanische Festigkeit aufwies.

Wie man zusammenbringt, was sich nicht mag

Was sich im Nachhinein so einfach anhört, hat das Empa-Team indes eine Menge Kopfzerbrechen bereitet. Siqueira: «Die allermeisten Polymere sind wasserabweisend oder hydrophob, Cellulose hingegen wasserliebend – hydrophil. Folglich sind sie von Natur aus nicht sehr kompatibel.» Daher mussten die Forschenden die CNC-Oberfläche zunächst einmal chemisch verändern

Nach den ersten Druckversuchen und der Röntgenanalyse der Mikrostrukturen ist den Forschern aufgefallen, dass sich die CNC im gedruckten Objekt nahezu perfekt in Druckrichtung ausgerichtet hatten. Daraus schlossen sie, dass die mechanische Kraft, mit der die Tinte durch die Druckerdüse gedrückt wird, ausreicht, um diese derart zu ordnen. «Dass man die Ausrichtung der Nanokristalle steuern kann, ist sehr interessant, zum Beispiel, wenn man etwas drucken möchte, das eine spezifische Festigkeit in einer bestimmten Richtung haben soll», sagt Siqueira.

Vielseitige Möglichkeiten

Diese hervorragenden mechanischen Eigenschaften stellen einen entscheidenden Vorteil gegenüber anderen Materialien wie Kohlefasern dar, die ebenfalls in DIW-Tinten verwendet werden. Kommt dazu, dass die neuartige Tinte aus den Empa-Laboren aus einem erneuerbaren Material, Cellulose, besteht. «Cellulose ist das am häufigsten vorkommende natürliche Polymer der Erde», so Siqueira. Es kommt nicht nur in Bäumen, sondern auch in anderen Pflanzen und sogar in Bakterien vor. Die aus verschiedenen Cellulosequellen isolierten Kristalle unterscheiden sich dabei morphologisch und in ihrer Grösse, nicht aber in ihren Eigenschaften. Und die könnten etwa in der Automobilindustrie oder für Verpackungen jeglicher Art interessant sein. «Das für mich wichtigste Anwendungsgebiet liegt allerdings in der Biomedizin», so Siqueira, «zum Beispiel für Implantate oder Prothesen.» Das CNC-Material ermöglicht durch seine herausragenden mechanischen Eigenschaften sowie die Möglichkeit der chemischen Modifizierung und der Ausrichtung während des Druckens zahlreiche unterschiedliche Anwendungen, ist der Empa-Forscher überzeugt.

Diese Möglichkeiten werden an der Empa derzeit weiter erforscht. Zurzeit fokussiert sich ein Doktorand auf die Weiterentwicklung des Materials und der Druckmethode für andere Anwendungen. Ausserdem soll ein Master-Student weitere biobasierte Tinten entwickeln. «Die Forschung auf diesem Gebiet beginnt gerade erst», so Gilberto Siqueira. «Drucken mit Biopolymeren ist zurzeit ein echt heisses Thema.»

Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über Empa
  • News

    Aufgewärmt am Start: Neuartiger Abgaskatalysator für Benzinfahrzeuge

    Beim Kaltstart eines Benzinmotors entstehen weit mehr Feinstaub und andere Schadstoffe als während der Fahrt, denn ein kalter Kat ist weit weniger effizient bei der Abgasreinigung. Was tun also? Man könnte den Kat vorheizen, etwa mit Mikrowellen. Empa-Forscher setzen diese Idee nun in die P ... mehr

    Leistungsfähigere und sicherere Batterien

    Forscher der Empa und der Universität Genf haben einen Prototypen einer neuartigen Natrium-Festkörperbatterie entwickelt, der in Zukunft Energie noch sicherer speichern soll. Ob in Telefonen, Laptops oder Elektroautos, Batterien sind längst nicht mehr aus unserem Alltag wegzudenken. Um den ... mehr

    Der gestapelte Farbsensor

    Rot-, blau- und grün-empfindliche Farbsensoren aufeinanderschichten anstatt sie mosaikförmig aufreihen – mit diesem Prinzip könnten sich Bildsensoren mit einer noch nie dagewesenen Auflösung und Lichtempfindlichkeit realisieren lassen. Bislang gelang das aber in der Realität mehr schlecht a ... mehr

  • Videos

    Nanozellulose-Schwämme gegen ausgelaufenes Öl

    Mit Nanozellulose gegen die Ölverschmutzungen in Gewässer. Empa-Forschenden ist es gelungen, einen Nanozellulose-Schwamm herzustellen, der Öl im Wasser aufsaugt und immer noch schwimmt. So könnte man in Zukunft ganz einfach ausgelaufenes Öl im Wasser entfernen. mehr

    Brennstoffzellen: «Saubere» Mobilität dank Wasserstoff

    Wasserstoff wird oft als «Benzin der Zukunft» bezeichnet. Die Postauto Schweiz AG betreibt versuchsweise eine Wasserstofftankstelle in Brugg AG für ihre Brennstoffzellen-Busse. An diesem Projekt beteiligt sich die Empa in Beratungsfunktion. Sie untersucht die Effizienz der Wasserstoffproduk ... mehr

    Warum Handy-Akkus explodieren

    Akkus von Laptops oder Mobiltelefonen können sich nach einer gewissen Nutzungsdauer aufblähen oder gar explodieren. In einem Empa-Labor wird gezeigt, was dabei geschieht. mehr

  • Forschungsinstitute

    Empa - Swiss Federal Laboratories for Materials Testing and Research

    mehr

    Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt)

    Die Empa ist eine interdisziplinäre Forschungs- und Dienstleistungsinstitution für Materialwissenschaften und Technologieentwicklung innerhalb des ETH-Bereichs. Die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten der Empa orientieren sich an den Anforderungen der Industrie und den Bedürfnissen der ... mehr

    Empa

    Die Empa ist eine interdisziplinäre Forschungs- und Dienstleistungsinstitution für Materialwissenschaften und Technologieentwicklung innerhalb des ETH-Bereichs. Die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten der Empa orientieren sich an den Anforderungen der Industrie und den Bedürfnissen der ... mehr

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.