PLA kommt nur selten in technischen Anwendungen zum Einsatz. Das Polymer gilt als sehr hydrolyseempfindlich. Wie stark, zeigt nun ein Forschungsprojekt.

Einwegbesteck und Verpackungen sind ein klassisches Einsatzgebiet für PLA. In anspruchsvolleren Bereichen wird das Biopolymer hingegen nur sehr selten genutzt. 

PLA auf die Polymerkette gefühlt

Polylactid

Kunststoff Werkstoffe

Thermoplaste

Biokunststoffe

Materialcharakterisierung

Software

Simulation

Wie hydrolyseempfindlich sind Polylactide wirklich?

Formänderungsstrukturen können ihre Gestalt unter dem Einfluss externer Stimuli verändern. Die Formänderung ist selbstinduziert, benötigt also keine Energiezufuhr. Noch nachhaltiger ist das, wenn die Bauteile aus Biokunststoffen hergestellt werden.

Prototyp eines wettersensitiven formändernden Fassadensystems

16:9

Biokunststoffe für Formänderungsstrukturen

Additive Fertigung

Gestaltwandler mit grünem Herzen

Naturfasern bleiben im Biomüll an vielen Stellen übrig. Durch Trocknen, Mahlen und Mischen mit Polylactid (PLA) entsteht aus den Schalen ein Biokunststoff, dessen Verwendung das Turiner Designstudio Carlo Ratti Associati in einem Projekt mit dem Energieunternehmen Eni spektakulär in Szene gesetzt hat.

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Sommer, Sonne, saftige Ideen

Bioabbaubare Kunststoffe werden als nachhaltige Alternative zu herkömmlichen Kunststoffen angepriesen. Für ihren Abbau sind allerdings häufig ganz bestimmte Bedingungen notwendig. Welche das konkret sind und wie sich verschiedene Verarbeitungsarten sowie chemische Veränderungen auswirken, ist noch nicht hinreichend erforscht. In einem Forschungsprojekt wurde das nun für geschäumtes und ungeschäumtes chemisch modifiziertes Polylactid (PLA) untersucht.

Wie sich die Modifizierung von PLA auf die Bioabbaubarkeit des Polymers auswirkt, war bisher noch nicht ausreichend untersucht

Lassen sich auch chemisch modifizierte PLA-Schäume biologisch abbauen?

Kunststoffe, biobasiert

Partikelschäumen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Schäumen / Reaktive Verarbeitung

Kunststoffe

Photonik

Optik

Kunststoffe, bioabbaubar

Auf den Kompost, statt in den Müll

Biopolymere sind in Reinform nur schlecht zu verarbeiten. Zur Blasfolienextrusion des Biokunststoffs PHBV müssen diesem etwa Weichmacher beigemischt werden. Der Einsatz konventioneller Additive macht jedoch oft den Umweltgedanken zunichte. Durch die Verwendung eines bioabbaubaren Weichmachers auf Basis von Zitronensäure ist es möglich, kompostierbare Blasfolien mit einem Anteil von nahezu 70 % PHBV herzustellen.

Der Einsatz bioabbaubarer Kunststoffe ist bei Agrarfolien besonders wichtig, da sich die Folien nach der Nutzung nur schwer wieder einsammeln lassen. Deshalb verbleiben häufig Rückstände von ihnen im Boden

Citrate ermöglichen die Blasfolienextrusion von PHBV, ohne die Abbaubarkeit zu beeinflussen

Weichmacher

Additive

Blasfolienextrusion

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Bioabbaubar trotz Additiven

Für die additive Fertigung von auxetischen Strukturen sind spezielle Materialeigenschaften notwendig. Modifiziertes PLA lässt sich im Strangablegeverfahren zu entsprechenden Bauteilen verarbeiten. Blends aus PLA und PBAT bieten sich dafür besonders an.

Auxetische Strukturen lassen sich kostengünstig additiv fertigen, beispielsweise im Strangablageverfahren

Bio-Blends für den 3D-Druck von auxetischen Strukturen

Verfahren für die additive Fertigung

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Modifiziert, biobasiert und 3D-druckbar

Die Idee hinter bioabbaubaren Kunststoffen ist einleuchtend: Sind Polymere biologisch abbaubar, zersetzen sich in die Umwelt gelangte Kunststoffabfälle dort selbstständig. In der Praxis lässt sich das leider nicht so einfach umsetzen. Ein Überblick über die unterschiedlichen bioabbaubaren Kunststoffe und deren Eigenschaften.

Bioabbaubare Kunststoffe sind immer wieder im Gespräch für Einwegkunststoffartikel wie Becher und Besteck, die häufig in die Umwelt gelangen 

Polymerüberblick bioabbaubare Kunststoffe

Wo zerfällt er denn, der Kunststoff?

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Verarbeitung von PLA basierten, geblendeten Partikelschäumen.

Blend

Untersuchung von expandierbaren PLA-Partikelschäumen – Einfluss des Blendsystems auf Verarbeitbarkeit und Eigenschaften

Durch die Zusammenarbeit der Polymer-Gruppe und des Fraunhofer-Institut wurde ein neues Polylactid entwickelt. Nicht nur die Herstellung soll effizienter sein, sondern auch der Biokunststoff deutlich flexibler, was eine breitere Anwendung ermöglicht.

Dr. Gerald Hauf, Geschäftsführer der Polymer-Gruppe, und Dr. Antje Lieske, Leiterin der Abteilung »Polymersynthese« am Fraunhofer IAP, entwickelten zusammen das neue Polylactid.

Die Entwicklung neuartiger Polylactide in Zusammenarbeit zweier Firmen

Rohstoff für die Europlex Folie LJ 21123/123 stammt aus nicht gentechnisch verändertem Zuckerrohr.

Die Europlex Folie LJ 21123/123 besteht aus nachwachsenden Rohstoffen und lässt sich flexibel umformen.

Röhm entwickelt umformbare PLA-Folie

Drei Lösungen zur Steigerung der Produktivität in der Automobil-, Medizin- und Verpackungsindustrie präsentiert Tederic anhand der Spritzgießmaschinenbaureihe Neo series auf der K 2022.

Die Neo·E c kombiniert elektrische und hydraulische Antriebe.

Spritzgießen

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe-international.com

kunststoffe.de

Mehrkomponenten-Spritzgießen

Spritzprägen

Spritzgießmaschinen

Medizintechnik

Medizinprodukte

Anwendungen in drei wichtigen Branchen

Die K 2022 bot eine riesige Auswahl an Neuheiten und Anwendungsbeispielen für und mit nachhaltigeren Materialien. Ein Überblick über die vorgestellten Nachhaltigkeits-Highlights.

Aus Abgasen werden Schuhe: Gentechnisch veränderte Bakterien machen aus Abgasen Ethanol, aus dem anschließend Kunststoff etwa für die Schuhe Cloudprime von On hergestellt wird. 

Thermoplastische Elastomere

Silikone

Masterbatches

Polyethylen

Polyamide

Effektpigmente

Polypropylen

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Kunststoff-Rezyklat

Silikonkautschuk

Kautschuk / Elastomere

Ist Bio das neue Normal?

Einem breiteren Einsatz von PLA stehen dessen Bruchdehnung und Schlagzähigkeit im Weg. Eine Lösung dafür versprechen PLA-Copolymere zu sein.

Blick in die Produktion der PLA-Copolymer-Compounds: Das eigens entwickelte Verfahren vereint die chemische Synthese von Polymeren und die Herstellung von Compounds in einem Prozess.

Bruchdehnung und Schlagzähigkeit von PLA gezielt verbessern

Copolymer statt Weichmacher  oder Blend

Die Anlage soll Polymilchsäure (Polylactic Acid, PLA) in industriellem Maßstab herstellen, wobei Milchsäure aus Mais als Primärrohstoff verwendet wird.

Vertreter aller Vertragspartner freuen sich auf die erste PLA-Anlage im MENA-Raum.

thyssenkrupp Uhde baut PLA-Anlage auf Arabischer Halbinsel

Ergebnisse einer Fallstudie zeigen, dass die biologische Abbaubarkeit von Kunststoffen im Gesundheitssektor kaum Vorteile bietet. Auch der Einsatz biobasierter Rohstoffe kennt Hürden.

Das verwendete Rack in der Natur, mit der es nach Abschluss dieser Studie im Einklang hätte stehen sollen.

Machbarkeitsstudie zu biobasiertem und bioabbaubarem Kunststoff in der In-vitro-Diagnostik

Qualitätssicherung Kunststoff

Qualitätssicherung

Haben Biokunststoffe eine Zukunft im Gesundheitswesen?

Von statischen zu adaptiven Produkten mit 4D-Textilien

Textile Strukturen können in allen Phasen ihrer Herstellung mit formverändernden Eigenschaften ausgestattet werden. Es entstehen sogenannte 4D-Textilien. Herstellen lassen sie sich etwa durch das Bedrucken eines vorgespannten Textils mittels FDM-Druck.

Textile Strukturen können in allen Phasen ihrer Herstellung mit formverändernden Eigenschaften ausgestattet werden. Es entstehen sogenannte 4D-Textilien. Sie bieten beispielsweise für die Medizintechnik und für Schutzbekleidung große Vorteile. Herstellen lassen sie sich etwa durch das Bedrucken eines vorgespannten Textils mittels FDM-Druck.

Die Anforderungen an Produkte und Bauteile verändern sich laufend. Das erfordert anpassungsfähige Materialien und Strukturen. Gleichzeitig sollen Ressourcen geschont und somit weniger Material verwendet werden. Neuartige Werkstoffe müssen diesen Veränderungen standhalten. Eine interessante Möglichkeit sind Strukturen, die so programmiert sind, dass sie aus den Veränderungen lernen und entsprechend reagieren. Textile Strukturen lassen sich in allen Phasen ihrer Herstellung programmieren: Funktionalität kann auf der Ebene der Fasern, Garne und Gewebe und nachträglich durch additive Fertigung hinzugefügt werden. Darüber hinaus gibt es Textilien, die ihre Form oder Funktion durch einen äußeren Reiz verändern. Solche Textilien werden als 4D-Textilien (siehe Kasten) bezeichnet.

Ein Forschungsschwerpunkt am Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen lag in den letzten Jahren auf Multimaterialstrukturen, die aus textilen Membranen mit darauf 3D-gedruckten polymeren Balkenstrukturen bestehen. Die Textilmembran kann mechanische Energie speichern. Durch Freisetzung der gespeicherten Energie wird aus einer zweidimensionalen eine dreidimensionale Struktur mit bistabilem Verhalten. Dabei sind die stabilen Zustände zwei unterschiedliche dreidimensionale Formen der Struktur. Der Wechsel zwischen den stabilen Zuständen lässt sich durch äußere Reize wie Wärme, Elektrizität oder Feuchtigkeit aktivieren. Dadurch kann es zu einer Funktionsänderung kommen. Mittlerweile ist es möglich, solche Strukturen zu programmieren. Verbessert werden muss jedoch noch die Genauigkeit.

Zur Herstellung der Strukturen kommen FDM-3D-Drucker (Fused Deposition Modeling) zum Einsatz (Bild 1). Jüngste Fortschritte am ITA wurden durch den Silikon-3D-Druck auf vorgespanntem Textil gemacht (Bild 2). In der bisherigen Forschung am ITA wurden bereits verschiedene Filamente wie Polylactid (PLA), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und thermoplastisches Polyurethan (TPU) für die Herstellung von 4D-Textilien verwendet.

Das am häufigsten verwendete thermoplastische Filament ist PLA. Das aus Milchsäuremolekülen aufgebaute Polymer zeichnet sich insbesondere durch seine biokompatiblen und bioabbaubaren Eigenschaften aus. Außerdem ist es aufgrund seines molekularen Aufbaus leicht recycelbar. Reines PLA erzeugt bei Degradation im Gegensatz zu vielen anderen Polymeren wie etwa ABS keine schädlichen Dämpfe. Das ist besonders für den Medizintechnikbereich von großer Bedeutung. Darüber hinaus weist der Druck mit PLA auf einem textilen Substrat nachweislich die höchste Haftung auf. Im Vergleich zu anderen Filamentarten ist PLA jedoch spröde, weshalb nach dem Druck leicht brechen kann.

Eine Alternative zu Thermoplasten stellen thermoplastische Elastomere (TPE) wie TPU dar. Sie sind im Vergleich zu Thermoplasten deutlich flexibler und haltbarer. Da Textilien sich durch ihre biegeschlaffen Eigenschaften auszeichnen, ist die Verwendung von TPE für die Herstellung von 4D-Textilien interessant. Aufgrund der Elastizität kann sich die Struktur besser menschlichen Bewegungen anpassen, beispielsweise bei der Verwendung für Orthesen. Das erhöht den Tragekomfort.

Hybride Materialstrukturen wie 4D-Textilien sollen überall dort Anwendung finden, wo eine Formänderung des Bauteils oder Produkts notwendig ist. Aufgrund ihrer großen Anpassungsfähigkeit, Designfreiheit sowie Individualisierbarkeit verfügen sie über ein großes Anwendungspotenzial. Mögliche Einsatzbereiche sind etwa Konsumgüter, Fahrzeuginnenräume und Textilfassaden. Ein Forschungsschwerpunkt am ITA war in den letzten Jahren außerdem der Einsatz von 4D-Textilien in der Medizin, insbesondere bei Orthesen.

Aufgrund des demografischen Wandels der Bevölkerung vor allem in den westlichen Industrienationen steigt die Nachfrage nach Orthesen stetig. Im Unterscheid zu einer Prothese, einer künstlichen Gliedmaße, ist eine Orthese ein Hilfsmittel in der Medizin. Orthesen werden ähnlich wie Bandagen, bei Erkrankungen und Verletzungen von Gliedmaßen oder vom Rumpf eingesetzt. Ihre Funktionen reichen von Stabilisierung über Entlastung bis hin zu Korrektur und Fixierung. Im Vergleich zu konfektionierten Orthesen, die in Massenproduktionen maschinell hergestellt werden, nimmt die Fertigung individualisierter Orthesen mehrere Wochen Handarbeit in Anspruch. Sie ermöglichen jedoch auch eine passgenaue Tragedauer von mehreren Monaten.

Im Zuge der Forschung am ITA wurde die Herstellung einer konfektionierten und individualisierten Orthese mittels 3D-Scan und 3D-gedruckter 4D-Struktur entwickelt (Bild 3). Die Gliedmaßen werden dabei in wenigen Sekunden zur Generierung eines CAD-Modells für eine individuelle Orthese eingescannt. Im Anschluss wird die Struktur im FDM-Verfahren produziert. Speziell bei der Herstellung ist dabei der Druck auf ein Rundgewirk. Der Drucker besitzt dafür anstelle des Druckbetts eine Rundwelle (Bild 4).

Bisher kann mit dem entwickelten Verfahren nur im kleinen Maßstäben hergestellt werden. Ziel ist es daher künftig, sowohl die Produktion als auch die Effekte zu skalieren. Das würde es ermöglichen, die Prototypenphase zu überwinden, und industrielle Anwendungen zu entwickeln. Dafür müssen jedoch noch Herausforderungen überwunden werden. Dazu zählen unter anderem die Druckbettgröße, die Zuführung des Textils in prozesstypischen Verfahren und Maßen, die Realisierung der Vorspannung über eine große Fläche und der Einsatz vielfältiger Materialien im 3D-Druck. Außerdem sollen auch Nachhaltigkeitsaspekt berücksichtigt werden. Die bisherigen Ergebnisse zeigen jedoch bereits: Für 4D-Textilien bieten sich sehr viele technische Innovationsmöglichkeiten.

RWTH-Aachen Inst. f. Textiltechnik (ITA) 

https://www.ita.rwth-aachen.de

Ausgabenartikel KU08-22

Bild 1. 4D-Textilien lassen sich etwa mit FDM-Druckern herstellen.

Bild 2. Bei der Herstellung der 4D-Textilien am ITA wird eine Struktur auf ein vorgespanntes Textil gedruckt. Die Form des Teils entsteht anschließend durch die Spannungsentlastung des Textils.  

Bild 3. Prototyp einer am ITA hergestellten 4D-Textil-Orthese für den Ellbogen: Sie lässt sich individuell auf Patienten zuschneiden und besitzt durch die Verwendung von Textilien einen hohen Tragekomfort.

Bild 4. Bei der Herstellung der 4D-Textilien kommt ein 3D-Drucker mit zylindrischem Druckbett zum Einsatz.

KU 8-22_ITA_Kelbel - Hauptartikel

Formverändernde Textilien, sogenannte 4D-Textilien, bieten beispielsweise für die Medizintechnik große Vorteile. Herstellen lassen sie sich mittels FDM-Druck.

Mit 3D-Druck zu 4D-Textilien

Hannah Carlotta Kelbel, M. Sc., forscht seit 2018 an der Entwicklung von 4D-Textilien. Seit 2020 ist sie wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Textiltechnik (ITA); <a href="mailto:hannah.kelbel@ita.rwth-aachen.de">hannah.kelbel@ita.rwth-aachen.de</a>

Dipl.-Des. Helga Ahrens-Wels arbeitet seit 2019 als wissenschaftliche Mitarbeiterin am ITA im Bereich Additive and Joining Technologies; <a href="mailto:helga.ahrens-wels@ita.rwth-aachen.de">helga.ahrens-wels@ita.rwth-aachen.de</a>

Katarina Winands, M. Sc., ist seit 2021 als wissenschaftliche Mitarbeiterin am ITA im Bereich Additive and Joining Technologies tätig; <a href="mailto:katarina.winands@ita.rwth-aachen.de">katarina.winands@ita.rwth-aachen.de</a>

Die Autoren danken Schneider Technologies für die ausgezeichnete Zusammenarbeit.

4D-Textilien sind Textilien oder textile Produkte, die über die Zeit ihre Funktion oder Form verändern können. Diese Änderung wird durch einen externen Stimulus angeregt. Anwenden lassen sie sich beispielsweise in der Rehamedizin. Körpernah getragene und adaptiv auf wechselnde Anforderungen reagierenden Unterstützungsstrukturen können mittels 3D-Druck individuell auf die Tragenden angepasst werden. Textilien erhöhen zusätzlich den Tragekomfort. Hergestellt werden 4D-Textilien in der Fläche durch das Bedrucken eines vorgespannten Textils mittels FDM-Druck. Durch die Spannungsentlastung des Textils nach der Herstellung entsteht aus einer zweidimensionalen eine dreidimensionale Form, die Bistabilität aufweist.