Ein interdisziplinäres Forschungsteam der Penn State University, bestehend aus Experten für Landwirtschaft und biologische Technik, arbeitet laut einem Artikel von StateCollege.com daran, herkömmliche Kunststoffe in der additiven Fertigung durch nachhaltige, aus Pflanzen gewonnene Materialien zu ersetzen. Dies könnte sich besonders auf den Großformat-3D-Druck auswirken, der Produkte wie Möbel oder Boote herstellt.
Forschungsinitiative mit Förderung
Die Forschung wird durch ein dreijähriges Stipendium des U.S. Department of Agriculture’s National Institute of Food and Agriculture unterstützt, das mit $650,000 dotiert ist. Ziel der Initiative ist es, die aktuell genutzten, teuren und auf Erdöl basierenden Harze durch kostengünstigere, nachhaltige Alternativen zu ersetzen.
Stephen Chmely, Assistenzprofessor für landwirtschaftliche und biologische Technik an der Penn State University, erklärte: „Unser langfristiges Ziel ist es, neue und nachhaltige Bioprodukte aus lignozellulosischer Biomasse zu entwickeln, die wirtschaftlich eine kohlenstoffarme Bioökonomie ermöglichen.“ Diese Biomasse besteht aus trockener Pflanzenmasse, welche die Grundlage für das neue Harz bildet, das mithilfe von Stereolithografie für den 3D-Druck eingesetzt werden soll.
Entwicklung neuer Harze aus Biomaterialien
Die Stereolithografie ist eine Technik, bei der mit einem computergesteuerten Laserstrahl dreidimensionale Objekte Schicht für Schicht aus einem flüssigen Polymer erstellt werden, das bei Kontakt mit Laserlicht aushärtet. Das Team konzentriert sich auf die chemische Umwandlung von Lignin und Nanocellulose in erneuerbare Stereolithografieharze, die aus diesen Biomaterialien und Sojaöl bestehen. Lignin verleiht vielen Pflanzen Festigkeit und Holzigkeit, während Nanocellulose aus winzigen Partikeln besteht, die in der Regel aus Holzzellstoff hergestellt werden, aber auch aus jeder anderen zellulosehaltigen Pflanzenquelle gewonnen werden können.
Die Eigenschaften von Nanocellulose gelten als besonders vielversprechend, da sie von denen gewöhnlicher Cellulose und Holzzellstoff abweichen. Chmely betont das Potenzial der Nanocellulose für Anwendungen, die für zellulosebasierte Materialien bisher nicht denkbar waren.
Verbesserung durch Innovation
Das Team erhofft sich von den neuen Harzen eine gesteigerte Elastizität, Zähigkeit und thermische Beständigkeit im Vergleich zu kommerziell erhältlichen Harzen. Diese Eigenschaften sollen durch spektroskopische und mikroskopische Untersuchungen, mechanische Tests und thermische Analysen nachgewiesen werden.
Chmely weist darauf hin, dass das Forschungsteam aufgrund seiner Zugehörigkeit zur Abteilung für landwirtschaftliche und biologische Technik an der Penn State University eine einzigartige Perspektive in der Schnittmenge von Materialwissenschaft und Technik mit Landwirtschaft und Forstwirtschaft hat. „Unser Team verfügt über umfangreiche Kenntnisse in der Ligninchemie, den Zellulosenanomaterialien und dem 3D-Druck mittels Stereolithografie“, erläutert er.
Jeffrey Catchmark, Professor für landwirtschaftliche und biologische Technik sowie Bioethik, ist Ko-Leiter des Projekts. Die erwarteten Durchbrüche könnten laut Chmely bedeutende positive Auswirkungen auf Industrien im Bereich der additiven Fertigung und der Bioraffinerie haben. Auch für Wissenschaftler in den Bereichen Materialwissenschaft und Biomassechemie sowie für ländliche Gemeinschaften, die die Biomasse als Rohstoff liefern, könnte dies von großer Bedeutung sein.
