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Duroplaste im 3D-Druck gelten bislang als Einwegmaterial. Sie sind stabil, aber kaum wiederverwertbar. Forschende der Universität Heidelberg haben ein polymerbasiertes Druckmaterial entwickelt, das dieses Problem löst. Es lässt sich nach dem Druck vollständig in seine molekularen Bausteine zerlegen und erneut einsetzen.
Das Problem: Stabilität auf Kosten der Wiederverwertbarkeit
Lichtbasierter 3D-Druck, auch Photopolymerisation genannt, nutzt flüssige Materialien, sogenannte Tinten, die unter Lichteinstrahlung zu festen Strukturen aushärten. Die Basis bilden meist Duroplaste. Deren Molekülketten sind dauerhaft und unlösbar miteinander vernetzt, was die Bauteile mechanisch belastbar macht. Recyceln lassen sie sich so gut wie nicht.
In der Praxis entstehen dadurch stetige Abfallströme. Anwendungen finden sich unter anderem in der personalisierten Medizin und in der Softrobotik, also in Bereichen mit vergleichsweise kleinen Stückzahlen und hohem Materialwert. Gedruckte Fehlteile, Prototypen und Ausschuss landeten bislang im Abfall.
Lösung: Metastabiles Polymer mit chemischer Sollbruchstelle
Das Team um Prof. Dr. Eva Blasco vom Institute for Molecular Systems Engineering and Advanced Materials der Universität Heidelberg hat ein sogenanntes metastabiles Material entwickelt. Es druckt sich wie ein herkömmliches Photopolymer und erreicht dieselbe mechanische Stabilität. Der Unterschied liegt in seiner Molekülarchitektur.
Die Polymerkette enthält genau eine Sollbruchstelle. Setzt man das ausgehärtete Material einem spezifischen chemischen Auslöser aus, öffnet sich diese Stelle. Die gesamte Kette zerfällt daraufhin innerhalb von Sekunden bei Raumtemperatur in ihre Einzelbausteine. Doktorand Johannes Markhart, der im Team von Eva Blasco forscht, beschreibt das Prinzip mit dem Bild einer Dominoreihe: Ist das erste Glied gelöst, folgt der Rest automatisch.
Nur der passende chemische Auslöser öffnet die Sollbruchstelle. Das Material bleibt im normalen Betrieb stabil und reagiert nicht auf Umgebungseinflüsse.
Qualität nach Recycling identisch mit dem Ausgangsmaterial
Die zurückgewonnenen Molekülbausteine lassen sich isolieren und erneut zu einem Polymer aufbauen. Spektroskopische Analysen zeigten, dass die chemische Zusammensetzung des recycelten Materials auf molekularer Ebene identisch mit der des Ausgangsmaterials ist. Druckversuche bestätigten: Die Qualität im zweiten Druckdurchgang entspricht der des ersten.
Mit dem Material konnten die Heidelberger Forschenden komplexe dreidimensionale Strukturen mit Detailgrößen im Mikrometerbereich fertigen. Es eignet sich damit für hochauflösende Anwendungen, die präzise Geometrien erfordern.
Einordnung für die Industrie
Der Befund ist aus zwei Perspektiven relevant. Erstens adressiert er das Abfallproblem in der additiven Fertigung direkt. Wer heute Photopolymere einsetzt, etwa für Prototypen, Vorrichtungen oder Kleinstserien, produziert damit unvermeidlich Sondermüll. Ein geschlossener Materialkreislauf würde Entsorgungskosten senken und Materialkosten reduzieren.
Zweitens hat das Konzept Relevanz für regulatorische Entwicklungen. Die EU-Ökodesignverordnung und verschärfte Anforderungen an Scope-3-Emissionen, also die indirekten Emissionen entlang der Lieferkette, erhöhen den Druck auf Hersteller, Materialeffizienz nachzuweisen. Ein nachweislich geschlossener Kreislauf in der additiven Fertigung kann dabei ein belegbares Argument werden.
Die Forschungsarbeiten sind eingebettet in das Exzellenzcluster „3D Matter Made to Order“, das die Universität Heidelberg gemeinsam mit dem Karlsruher Institut für Technologie trägt. Gefördert haben die Arbeiten die Deutsche Forschungsgemeinschaft, die Carl-Zeiss-Stiftung und der Fonds der Chemischen Industrie.
Fazit
Das Heidelberger Polymer ist ein Laborergebnis. Der Weg zur industriellen Serienanwendung ist noch offen. Der Ansatz zeigt jedoch, dass Stabilität und Wiederverwertbarkeit bei Photopolymeren kein Widerspruch sein müssen. Für Unternehmen, die additive Fertigungsverfahren einsetzen oder evaluieren, dürfte die weitere Entwicklung relevant sein. Materialkreisläufe in der additiven Fertigung werden mittelfristig ein Beschaffungs- und Compliance-Thema.
