3D-Druck mit holzbasierten Werkstoffen. Entwicklung einer ressourceneffizienten, additiven Fertigungstechnologie zur Herstellung langlebiger Konsumgüter
Projektdurchführung
Technische Universität Dresden
Fakultät für Umweltwissenschaften
Professur für Forstnutzung
Pienner Str. 19
01737 Tharandt
Zielsetzung
In der Holzverarbeitung werden bisher vorrangig subtraktive Fertigungsverfahren eingesetzt. Die Materialeffizienz ist bei diesen spanenden Verfahren stark eingeschränkt. Jährlich fallen mehrere Hunderttausend Tonnen Holzreste und Späne an. Die additive Fertigung (auch als 3D-Druck bekannt) ist eine alternative Herstellungstechnologie, bei der basierend auf einem digitalen Modell Material Schicht für Schicht aufgetragen wird. Gemeinsam ist allen additiven Fertigungsverfahren, dass das eingesetzte Material vollständig im gefertigten Werkstück verbleibt. Die Fertigungsweise ist dadurch sehr materialeffizient.
Holzwerkstoffe wie Spanplatten oder MDF tragen bereits erheblich dazu bei, die Ressourcen der Holzindustrie effizienter zu nutzen. Diese Werkstoffe werden aus Holzresten und -abfällen hergestellt, die bei der Holzverarbeitung anfallen. Ein nicht unerheblicher Anteil der Holzreste und -abfälle wird jedoch nach wie vor energetisch genutzt. Das beantragte Forschungsvorhaben setzt es sich zum Ziel, die Nachhaltigkeit in der Holzverarbeitung durch die Verwendung additiver Fertigungsmethoden weiter zu verbessern.
Möglich werden soll dies durch das 3D-Druck-Verfahren des Liquid Deposition Modeling (LDM). Holzmehle und -späne werden hier in Form pastöser Suspensionen verarbeitet. Der Füllstoff Holz ist als feste Phase in einem flüssigen Medium dispergiert. Durch Trocknung bzw. Aushärtung wird die pastöse Masse in einen abschließenden festen Zustand überführt. Kleinere Objekte können mit dem Verfahren bereits schon heute gefertigt werden. Die begrenzte Stabilität der bisherigen Materialmischungen im feuchten, nicht ausgehärteten Zustand führt jedoch dazu, dass Objekte ab Druckhöhen von über 20 cm unter ihrer eigenen Last kollabieren.
Das konkrete Ziel besteht darin, das Liquid Deposition Modeling mit holzbasierten Materialien entscheidend weiterzuentwickeln. Auf der Skala des „Technology Readiness Level“ (TRL) befindet sich die Technologie derzeit auf Stufe 4 bis 5 (Versuche in Laborumgebung bzw. im Pilotmaßstab). Am Projektende soll sie einen TRL von 6 bis 7 erreicht haben (Demonstration in Einsatzumgebung bzw. im Einsatz).
Arbeitsschritte
In der überwiegenden Zahl der Fälle wurde Holz in der additiven Fertigung bisher in Kombination mit Thermoplasten eingesetzt. Bei dem dabei verwendeten Verfahren des Fused Deposition Modeling (FDM) liegt der Holzanteil unter 40 %. Im LDM-Verfahren sind Holzanteile von bis zu 90 % möglich. Ein Arbeitspaket setzt sich den systematischen Vergleich von FDM und LDM zum Ziel. In Kooperation mit dem 3D-Drucker-Hersteller WASP werden Verfahrens-, Material- und Produktparameter dokumentiert (z.B. Druckzeit, Energiebedarf, Trocknungszeit, Materialkosten, Schwindung, Festigkeit).
Für die Fertigung eines ersten Produkt-Prototyps soll eine bereits in Laborversuchen erfolgreich eingesetzte Mischung verwendet werden. Gemeinsam mit dem Designer Uwe Bodenschatz und der Firma „Stefan Beyer Instrumente“ (Großweitzschen) soll die Zarge einer elektrischen Gitarre gedruckt werden.
Ein Transfer in die Praxis setzt eine Überwindung der bisherigen, vertikalen Fertigungslimitierungen voraus. Für die Herstellung von Objekten mit einer Höhe über 20 cm sollen im Projekt zwei sich ergänzende Lösungsansätze entwickelt werden. Bei der einen handelt sich um die Entwicklung einer modulare Fertigungsweise, bei der einzelne additiv gefertigte Segmente bedarfsgerecht mit Hilfe unterschiedlicher Verbindungstypen form- und kraftschlüssig zu größeren Objekten gefügt werden. Dieses Arbeitspaket wird maßgeblich durch Uwe Bodenschatz bearbeitet.
Der zweite Ansatz besteht in der Weiterentwicklung des Druckmaterials selbst. Durch eine Anpassung der Werkstoffzusammensetzung soll der innere Zusammenhalt des Materials nach dem Verlassen des Extruders so weit gestärkt werden, dass Objekte mit einer Höhe von mindestens 50 cm gedruckt werden können. In einem ersten Schritt werden in Zusammenarbeit mit externen Partnern (z.B. der Baufan Bauchemie Leipzig GmbH) verschiedene Möglichkeiten zur Beschleunigung der Verfestigung von LDM-Materialien gesichtet und in Vorversuchen getestet. Danach sollen aussichtsreiche Mischungsvarianten hinsichtlich Festigkeitsparametern und Schwindungsverhalten untersucht und weiter optimiert werden. Mischungsverhältnisse werden variiert, Zusammenhänge analysiert und auf Basis der formulierten Anforderungen angepasste Materialrezepte definiert.
Ergebnisse
Etabliert ist das Verfahren des Fused Deposition Modeling (FDM). Hier kommen Wood-Plastic-Composites (WPCs) zum Einsatz, die zu über 70 Prozent aus thermoplastischen Kunststoffen und zu weniger als 30 Prozent aus Holz bestehen. Das macht das Material relativ teuer hat und einen hohen Energiebedarf für den Schmelzvorgang zur Folge (AP 1). Beim Liquid Deposition Modeling wird aus Bindemitteln, Wasser und mehl- bis spanförmigen Holzpartikeln ein pastöser Werkstoff hergestellt, der bei Umgebungstemperaturen extrudiert wird und im Nachhinein trocknet bzw. aushärtet. In der Regel besteht der Werkstoff zu über 80 Prozent der Trockenmasse aus Sägemehl, einem Reststoff, der in vielen holzverarbeitenden Unternehmen anfällt. Verfahrensbedingt wird das Material im feuchten Zustand verarbeitet, wodurch bisher lediglich Druckhöhen von bis zu 20 cm möglich sind (höhere Objekte kollabieren unter ihrer eigenen Last). Der gegenwärtige Entwicklungsstand ist bereits für verschiedene Einsatzzwecke ausreichend. Im Rahmen des Projekts wurde in Kooperation mit einem Musikinstrumentenbauer der Prototyp einer Gitarrenzarge gefertigt (AP 5). Im Projekt wurde die Technologie weiterentwickelt, um größere Objekthöhen realisieren zu können. Im Fokus stand einerseits das Material: In Kooperation mit mehreren Partnern aus Forschung und Industrie wurden verschiedene Möglichkeiten zur Beschleunigung der Materialverfestigung gesichtet, in Untersuchungen getestet und geeignete Rezepturen entwickelt (AP 2 & 3). Mit einem Calciumsulfoaluminat-Bindemittel gelang es schließlich, 60 min nach der Extrusion einen Aushärtungsgrad zu erreichen, der Druckhöhen von mindestens 50 cm ermöglicht. Außerdem wurde ein Verfahren zum nachträglichen Fügen von Segmenten entwickelt: Trocknungsbedingte Formabweichungen mussten zuerst erfasst und in den digitalen Objektentwurf so eingerechnet werden, dass sich beim fertigen Objekt die gewünschte Geometrie ergab. In zuvor festgelegten Aufnahmepunkten wurden Dübel bzw. Rundstangen befestigt, die die vertikale Verbindung und damit die Herstellung höherer Objekte erlaubte.
Öffentlichkeitsarbeit
Im Rahmen wissenschaftlicher Konferenzen wurden die Forschungsergebnisse einem breiten Fachpublikum vorgestellt:
- Holztechnologisches Kolloquium in Dresden (April 2024)
- Freiberger Universitätsforum „Additive manufacturing of bio-based residue materials“ (Juni 2024)
- Vortrag im Rahmen der Materialschau „Wege zur Bauwende“, Zentrum für Baukultur in Dresden (März 2025)
Auf Fachveranstaltungen wurde eine Reihe neuer Kontakte geknüpft:
- Formnext, Fachmesse zur additiven Fertigung, in Frankfurt/Main (November 2023)
- Treffen des Netzwerkes „Sustainable Additive Manufacturing in Saxony“ (SAMSax) in Freiberg (November 2023)
In Kooperation mit der Westsächsischen Hochschule Zwickau (AKS, Schneeberg) wurde ein dreitägiger Workshop durchgeführt. Die teilnehmenden Designer wurden dabei unterstützt, verschiedene Varianten eines Kleinmöbels fertigungsnah zu entwerfen und im LDM-Verfahren herzustellen (September 2024).
Zudem wurde das additive Fertigungsverfahren direkt Unternehmen vorgestellt und eine zukünftige Zusammenarbeit vereinbart.
Fazit
Im Projekt wurde gezeigt, dass Liquid Deposition Modeling (LDM) mit holzbasierten Werkstoffen ein hohes Potenzial für die ressourceneffiziente additive Fertigung langlebiger Produkte besitzt. Der hohe Holzanteil der Materialien, die Nutzung von Reststoffen sowie der vergleichsweise geringe Energiebedarf leisten einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Holznutzung und zur Kreislaufwirtschaft. Durch die Weiterentwicklung der Rezepturen konnte das Materialverhalten deutlich verbessert werden, sodass Objekte mit Höhen von mindestens 50 cm herstellbar sind. Mit der Segmentbauweise wurde zudem ein praxistauglicher Ansatz zur Fertigung großformatiger Bauteile entwickelt. Die erfolgreiche Herstellung von Funktionsprototypen belegt die Anwendungsreife der Technologie für industrielle und handwerkliche Einsatzfelder mit hohen Anforderungen an Individualisierung, Materialeffizienz und Nachhaltigkeit. Gleichzeitig besteht weiterer Forschungsbedarf, insbesondere zur Reduktion schwindungsbedingter Maßabweichungen und zur Verbesserung der Feuchtebeständigkeit biobasierter Materialien. Künftige Arbeiten sollten diese Aspekte vertiefen, die Prozesskette weiter automatisieren und anwendungsnahe Anforderungen von Unternehmen stärker berücksichtigen.