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).
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.