Umweltfreundliche biologisch abbaubare Materialien für 3D-Druck: Nachhaltige Lösungen

3D-Druck hat eine Welt Fertigungsmöglichkeiten eröffnet. Dieses additive Fertigungsverfahren ermöglicht die schnelle und kostengünstige Herstellung sowohl einfacher als auch hochkomplexer Teile. Es gibt diverse 3D-Drucktechnologien, doch viele folgen demselben Grundprinzip: Ein Material wird in einen halbfesten Zustand erhitzt und Schicht für Schicht basierend auf CAD-Daten abgelegt, bis das Teil entsteht. 3D-Druck erfordert Materialien, die schmelzen, umgeformt und wieder erstarren oder aushärten können, ohne wesentliche Eigenschaftsänderungen.

Daher sind Thermoplaste mit den erforderlichen Eigenschaften die am häufigsten verwendeten 3D-Druckmaterialien. Kunststoffe sind jedoch nicht biologisch abbaubar und belasten die Umwelt bei unsachgemäßer Entsorgung. Deshalb wird intensiv an biologisch abbaubaren (umweltfreundlichen) Materialien geforscht, die mit 3D-Druck kompatibel sind und funktionsfähige Teile ermöglichen.

In diesem Artikel stellt Xometry biologisch abbaubare 3D-Druckmaterialien vor, die bereits am Markt verfügbar sind (wie PLA), und solche, die noch für effizienten 3D-Druck entwickelt werden.

PLA

PLA (Polylactid / Polymilchsäure) ist der beliebteste und zugänglichste biologisch abbaubare Kunststoff im 3D-Druck.

Dieses Polyester wird aus Milchsäure hergestellt, die durch Fermentation von Kohlenhydratquellen wie Zuckerrohr und Stärke unter kontrollierten Bedingungen gewonnen wird. PLA entsteht entweder durch direkte Kondensation von Milchsäure-Monomeren oder Polymerisation von Lactid, einem Milchsäure-Derivat.

PLA wird hauptsächlich im FDM 3D-Druck eingesetzt. Als Thermoplast lässt es sich schmelzen und umformen, ohne Eigenschaften zu verlieren. Die mechanischen Eigenschaften sind mit Polypropylen und Polyurethan vergleichbar. Thermische Eigenschaften sind zufriedenstellend, erreichen aber nicht ABS-Niveau.

Vorteile von PLA (neben biologische Abbaubarkeit):

• Herstellung aus natürlichen, nachwachsenden Rohstoffen
• Zertifiziert für Lebensmittelverpackungen
• Ungiftig, für medizinische Anwendungen geeignet

Nachteile:

• Nur in spezifischen, kontrollierten Kompostierumgebungen biologisch abbaubar
• Kontrovers: Große Mengen Nahrungsmittel (z. B. Mais) werden für Bioplastik-Produktion verwendet
• Geringfügig geringere Festigkeit und Kristallinität als erdölbasierte Kunststoffe

PLA findet breite Anwendung in Besteck, Lebensmittelverpackungen, Gesundheitswesen, Textilien und Kosmetik. Es ist eines der am weitesten verbreiteten 3D-Druck-Filamente.

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Wählen Sie PLA gerne als eine Option aus Xometrys 3D-Druckmaterialangebot.

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PHA

PHA (Polyhydroxyalkanoate) ist ein Bioplastik, das durch Kultivierung spezifischer Bakterien hergestellt wird. Das Material wird in den Bakterienzellen synthetisiert und als hochreflektierende Granulate extrahiert.

PHA ist im 3D-Druck weit weniger verbreitet als PLA und befindet sich noch in der Entwicklung. Aktuell praktisch nicht am Markt erhältlich und daher teurer. Positiv: Es baut sich deutlich schneller ab – in nur ein bis drei Monaten. Die Eigenschaften von PHA-Polymeren variieren leicht je nach chemischer Zusammensetzung. Sie sind thermoplastisch, elastisch und weisen gute Feuchtigkeitsbeständigkeit auf.

Vorteile von PHA:

• Biologisch abbaubar, Abbau in unter drei Monaten
• Wünschenswerte Kunststoffeigenschaften
• Natürliche Herstellung durch Bakterien
• UV-beständig

Einschränkungen:

• Teure Herstellung
• Geringe Verfügbarkeit für Verbraucher

Verglichen mit anderen Bioplastiken weist PHA geringere Flexibilität, Festigkeit und thermische Eigenschaften auf.

PHA wird intensiv für 3D-Druck erforscht. Der Großteil der aktuellen Nutzung liegt in Kompositen mit anderen Kunststoffen.

FLAM

Fungal-like Additive Material (FLAM) ist ein weiteres natürliches Material mit Potenzial, den 3D-Druck zu revolutionieren. FLAM besteht aus Zellulose und Chitin, zwei der häufigsten Polymere der Erde. Dieses vielseitige Material eignet sich für Holzverarbeitung, Gießen, Formen und 3D-Druck. Die mechanischen Eigenschaften ähneln Polyurethanschaum. FLAM ist sehr neu, noch nicht marktreif und erfordert weitere Forschung, zeigt aber bereits großes Potenzial (siehe verlinkte Studie).

Vorteile von FLAM:

• Hergestellt aus nachhaltigen, reichlich verfügbaren natürlichen Quellen
• Sehr vielseitig, anpassbar für verschiedene Fertigungsprozesse
• Sehr kostengünstig – ca. zehnmal günstiger als ABS oder PLA

Einschränkungen:

• Relativ neues Material, erfordert noch viel Forschung
• 3D-Druckprozess für FLAM ist komplex

Kompositmaterialien

Aufgrund der Limitierungen vieler biologisch abbaubarer Materialien werden Komposite – Kombinationen aus zwei oder mehr Materialien – entwickelt und eingesetzt. Diese vereinen Vorteile der Ausgangsmaterialien und reduzieren oder eliminieren deren Nachteile erheblich. Einige für 3D-Druck verfügbare biologisch abbaubare Komposite:

• Algen-basiertes PLA
• PLA + PHA
• WoodFill (70 % PLA, 30 % Holzfaser)

Diese sind jedoch noch nicht weit verbreitet.

Recycelte Filamente

Zwar nicht biologisch abbaubar, aber umweltverantwortlich: Filamente aus recyceltem Kunststoff, da sie aus Material bestehen, das andernfalls auf Deponien landen würde. Die meisten gängigen 3D-Druckkunststoffe sind recycelbar.

Fazit

Angesichts wachsenden Bewusstseins für Plastikmüll werden Schritte zur Reduzierung von Kunststoffen unternommen. Eine Maßnahme: Entwicklung biologisch abbaubarer, 3D-druckbarer Materialien, um die Vorteile dieser Fertigungstechnologie zu nutzen und gleichzeitig die Umwelt zu schützen.

Aktuell ist PLA das einzig breit verfügbare biologisch abbaubare 3D-Druckmaterial. Laden Sie Ihre Modelle auf unserer Instant-Quoting-Plattform hoch, um ein Angebot für Ihre PLA-Teile von Xometry zu erhalten.