Additive Fertigungsverfahren wie der 3D-Druck ermöglichen die Herstellung von Objekten mit unterschiedlichen Eigenschaften nach einem digitalen Modell. Die Verfahren werden für Produktprototypen sowie Bauteile für Fahrzeuge, Konsumgüter und medizintechnische Anwendungen genutzt. Eine besonders effektive Technik ist das Direct Ink Writing (DIW), bei dem Objekte bei Raumtemperatur mit speziell formulierten Tinten gedruckt werden können.

Die meisten dieser Tinten basieren auf Polymeren fossilen Ursprungs – Materialien, die oft weder recycelbar noch biologisch abbaubar sind. Tinten aus Lignin könnten eine nachhaltige Lösung darstellen. Allerdings erfordern sie meist hohe Temperaturen oder nicht umkehrbare chemische Prozesse, damit ein zuverlässiger 3D-Druck möglich ist. Dadurch lassen sich die gedruckten Objekte nicht wiederverwenden, wodurch sie wenig nachhaltig sind. Doch die bei Hereon entwickelte Tinte besteht etwa zu 70 % aus Lignin, das bei der Papierherstellung anfällt oder direkt aus Biomasse gewonnen wird. Während des 3D-Drucks fließt die Tinte leicht durch die Düsen und gewinnt danach im Ruhezustand schnell wieder an Festigkeit. Im Gegensatz zu anderen Lignin-basierten Tinten härtet sie ohne chemische oder thermische Nachbehandlungen aus.

Für nachhaltigen 3D-Druck

Das Team am Hereon-Institut für Funktionale Materialien für Nachhaltigkeit in Teltow ließ sich von der Idee leiten, dass nachhaltige Materialien kein Kompromiss sein müssen. "Wir wollten zeigen, dass auch Abfallmaterialien wie Lignin den technischen Anforderungen des modernen 3D-Drucks gerecht werden und zugleich die Nachhaltigkeit verbessern", erklärt Dr. Maria Balk, eine der Hauptautorinnen der Studie. "Zu diesem Zweck haben wir ein industrielles Abfallprodukt in eine 3D-Drucktinte umgewandelt, die sich durch einfaches Zugeben von Wasser vollständig recyceln lässt."

Prof. Dr. Francesca Toma, Leiterin des Hereon-Instituts für Funktionale Materialien für Nachhaltigkeit, hebt den übergeordneten Kontext hervor: "Industrielle Abfallströme sind eine bislang ungenutzte Möglichkeit. Lignin wird momentan kaum genutzt. Seine Umwandlung in ein vollständig recycelbares Material zeigt, wie Abfälle Innovationen in einer Industrie vorantreiben können, die dringend nachhaltige Lösungen braucht."

Dr. Balk ergänzt: "Eine der spannendsten Erkenntnisse ist, dass die gedruckten Objekte mehrfach durch Zugabe von Wasser recycelt werden können, ohne an Leistungsfähigkeit zu verlieren. Dies ist in der additiven Fertigung bislang selten und eröffnet neue Perspektiven für eine kreislauforientierte Produktion. So lassen sich die CO₂-Emissionen deutlich reduzieren."

Ausblick

Die aktuellen Forschungsergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten für den nachhaltigen 3D-Druck einer Vielzahl von Objekten – darunter maßgeschneiderte Produktprototypen und Komponenten für die unterschiedlichsten Technologien. Die recycelbare Tinte soll nun weiter optimiert und getestet werden, um eine Markteinführung zu ermöglichen. "Wir wollen den Prozess weiter skalieren und Anwendungsfelder untersuchen – besonders in Bereichen, in denen energiearme Verarbeitung und Recycelbarkeit bedeutsam sind", sagt Maria Balk.

Publikation
Maria Balk, Michael Schroeter, Eduardo da Conceição, Nicole Schneider, Matthias Heuchel, Yvonne Pieper, Susanne Schwanz, Navid Khani, Hanin Alkhamis, Katarzyna Polak-Kraśna, Axel T. Neffe, and Francesca M. Toma: Room-Temperature, Aqueous-Based 3D Printing of Fully Recyclable Wood-like Inks from Upcycled Lignin; ACS Sustainable Chem. Eng. 2026, 14, 8, 3834–3845C; https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.5c07974

Quelle: Helmholtz-Zentrum Hereon