Design und Fabrikation von 3D-gedruckten Bauteilen aus Biokompositen/Filamenten aus Endlos- und Kurznaturfasern (3DNaturDruck)

Abstract

Das 3DNaturDruck Projekt konzentrierte sich auf die Forschung und Entwicklung optimierter naturfaserverstärkter Biopolymere in Form von Kurz- und Langfilamenten für die großformatige additive Fertigung. Zugehörig sollten Methoden und Werkzeuge für die Verarbeitung dieser Materialien entwickelt werden, einschließlich neu gestalteter Druckwerkzeuge. Ziel war es den großformatigen 3D-Druck basierend auf dem Fused Filament Fabrication (FFF) Verfahren für die Anwendung in der Architektur mit nachhaltigen Materialen auf Basis von Biopolymeren und Naturfasern zu erschließen. Die im Projekt erzielten Fortschritte wurden zur Herstellung von architektonischen Komponenten wie Fassadenelementen und komplexen Strukturbauteilen genutzt. Derzeit werden im großformatigen 3D-Druck überwiegend Polymere aus fossilen Ressourcen verwendet, die für architektonische Anwendungen nicht nachhaltig sind. Dieses Projekt schlug vor, durch die Entwicklung nachhaltiger, auf die Architektur zugeschnittener Lösungen, die Elemente wie Wandpaneele, Freiform-Möbel und komplizierte Bauteile umfassen, Innovationen zu schaffen. Die Hauptmotivation für die Einbeziehung von Naturfasern in diese Anwendungen liegt in ihren mechanischen Eigenschaften, ihrem geringen Gewicht, ihrer breiten Verfügbarkeit und ihren ökologischen Vorteilen als erneuerbare Ressourcen mit kurzen Erneuerungszyklen. Dies deckt sich mit der weltweiten Tendenz zur Integration von Naturfasern in strukturelle Komponenten für Bau- und Architekturzwecke. Die Projektpartner untersuchten naturfaserverstärkte Biopolymer-Verbundwerkstoffe in verschiedenen Kombinationen. Bei den Kurzfaserfilamenten wurden beispielsweise feine Holzfasern (≤ 1 mm) in das Biopolymer Polylactid (PLA) eingearbeitet, wobei ein hoher Massenanteil (≥ 20 %) angestrebt und die daraus resultierenden Materialeigenschaften bewertet wurden. Bei den Langfaserfilamenten hingegen wurden Flachs oder Rayon mit einer PLA-Matrix kombiniert, was den Druck von Bauteilen ausschließlich aus Langfaser-Biokompositen ermöglichte. Das Forschungsprojekt zeigte die Anwendbarkeit und das Potenzial dieser Materialien durch Extrusion und additive Fertigungsverfahren. Materialtests sowie analytische und numerische Simulationen, die in das digitale Design und die Fertigung integriert wurden, ermöglichten eine frühzeitige Überprüfung ihrer Eignung für architektonische Anwendungen und führten zu einem leistungsorientierten Design mehrerer Demonstratoren. Durch diesen umfassenden Ansatz wurde sichergestellt, dass die neu entwickelten Materialien die erforderlichen Standards für die strukturelle Verwendung in der Architektur erfüllen. Insgesamt trug das Projekt wesentlich dazu bei, die Verwendung von Naturfasern aus nachwachsenden Rohstoffen in architektonischen Komponenten voranzutreiben und damit die ökologische Nachhaltigkeit in der Bauindustrie zu fördern. Datei-Upload durch TIB