Heidelberger Forschungsteam entwickelt polymerbasiertes Material, das sich in seine Einzelteile zerlegen und wiederverwenden lässt

Polymere, die für den lichtbasierten 3D-Druck verwendet werden, sind aufgrund ihres chemischen Aufbaus zwar sehr stabil, können aber kaum recycelt werden. Ein Forschungsteam unter Leitung von Prof. Dr. Eva Blasco, Wissenschaftlerin am Institute for Molecular Systems Engineering and Advanced Materials (IMSEAM) der Universität Heidelberg, hat nun ein polymerbasiertes Material entworfen, das sich bei Bedarf in seine Einzelteile zerlegen lässt. Ein chemischer „Schlüssel“ sorgt dafür, dass das bereits gedruckte Material innerhalb von Sekunden wieder in seine molekularen Bausteine zerfällt. Sie können zurückgewonnen und in einem zirkulären Fertigungsprozess wiederverwendet werden.

Unter den Verfahren der additiven Fertigung, des 3D-Drucks, liefern hochpräzise lichtbasierte Ansätze wie die digitale Lichtprojektion die besten Ergebnisse für die Herstellung kleiner und komplexer Strukturen. Sie kommen etwa in der personalisierten Medizin oder in der Softrobotik zum Einsatz. Grundlage dafür sind flüssige „Tinten“, die unter Einwirkung von Licht zu festen, dreidimensionalen Strukturen aushärten. Sie bestehen meist aus sogenannten Duroplasten, deren Grundbausteine dauerhaft und unlösbar zu einem permanenten Netzwerk verknüpft sind. Dadurch werden die Materialien sehr stabil, sind aber praktisch nicht wiederverwertbar und könnten, so die Wissenschaftler, zu einer Quelle stetiger Abfallströme werden.

Um den lichtbasierten 3D-Druck nachhaltiger zu gestalten, hat das Heidelberger Forschungsteam ein sogenanntes metastabiles Material entworfen, das ohne Einbußen bei Präzision, Qualität und mechanischer Stabilität wieder in seine Einzelteile zerlegt werden kann. Als Grundlage nutzten die Wissenschaftler ein besonderes Polymer, das auf ein chemisches Signal reagiert. „Die lange Molekülkette wird nur durch eine einzige Sollbruchstelle zusammengehalten. Sobald ein spezifischer chemischer Trigger diese Stelle öffnet, zerfällt die gesamte Kette innerhalb von Sekunden bei Raumtemperatur wie eine Reihe Dominosteine in ihre Bestandteile“, erläutert Johannes Markhart, der als Doktorand im Team von Eva Blasco forscht. Die Sollbruchstelle funktioniert dabei wie ein Schloss, das sich nur mit dem passenden Schlüssel öffnet.

In seinen Untersuchungen konnte das Forschungsteam mit dem neuartigen metastabilen Material verschiedene komplexe dreidimensionale Strukturen mit Detailgrößen im Mikrometerbereich fertigen und so seine Eignung als hochauflösende „Tinte“ demonstrieren. „Es verbindet eine hohe Druckqualität mit einer Eigenschaft, die bei polymerbasierten Materialien für den 3D-Druck bislang kaum vorhanden war: es lässt sich vollständig und rückstandsfrei in seine Einzelteile zerlegen“, so Johannes Markhart. Diese Bausteine konnten die Wissenschaftler anschließend isolieren und wieder in ein Polymer umwandeln. Spektroskopische Analysen bestätigten, dass die chemische Zusammensetzung des recycelten Polymers auf molekularer Ebene identisch mit der des Ausgangsmaterials ist. „Bei der Wiederverwendung wies das Material dieselben Eigenschaften auf wie im ersten Druckvorgang“, sagt Dr. Philipp Mainik, der als Doktorand an den Arbeiten beteiligt war.

„Unser Ansatz zeigt, dass sich Stabilität und Wiederverwertbarkeit nicht ausschließen müssen. Wir hoffen, dass er den Weg für echte chemische Zirkularität ebnen und damit zu nachhaltigeren Fertigungsprozessen beitragen kann“, betont Prof. Blasco, die mit ihrer Gruppe am IMSEAM und am Organisch-Chemischen Institut der Universität Heidelberg an der Schnittstelle von makromolekularer Chemie, Materialwissenschaften und additiver Fertigung forscht.

Die Forschungsarbeiten waren eingebunden in das Exzellenzcluster „3D Matter Made to Order“, das gemeinsam von der Universität Heidelberg und dem Karlsruher Institut für Technologie getragen wird. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft, die Carl-Zeiss-Stiftung und der Fonds der Chemischen Industrie haben die Arbeiten gefördert. Die Forschungsergebnisse sind in der Fachzeitschrift „Advanced Materials“ erschienen.