Beim extrusionsbasierten 3D-Druck, unter anderem als FFF-(Fused-Filament-Fabrication-)Verfahren bekannt, wird ein physisches Objekt auf Basis eines virtuellen Modells möglichst ressourcenschonend im schichtweisen Aufbau hergestellt. Dabei werden dünne Lagen aus Thermoplasten – Kunststoffe, die durch Wärmeeinwirkung verformbar werden – exakt miteinander verschmolzen, um so das gewünschte Objekt zu formen. An der Fachhochschule Salzburg (FHS) am Campus Kuchl wird beispielsweise der extrusionsbasierte 3D-Druck neben der Prototypenfertigung – unter anderem innovative Verbindungselemente für den Möbel- und den Holzbau – auch für die Serienfertigung von ausgewählten Verbindungsmitteln verwendet. Nicht mehr benötigte 3D-gedruckte Objekte werden keinesfalls entsorgt, sondern in einem mehrstufigen Prozess erneut zu 3D-Druckmaterialien aufbereitet – Kreislaufwirtschaft am Campus Kuchl.
Für die Fertigung mittels FFF kann mittlerweile auf eine breite Palette an Thermoplasten mit den unterschiedlichsten Eigenschaften – von flexibel beziehungsweise hochfest über hitzebeständig bis hin zu leichtbautauglich – zurückgegriffen werden. Für jeden Anwendungsfall lässt sich zwischenzeitlich ein geeignetes 3D-Druckmaterial finden und durch die Bemühungen der Forschung werden stetig neue Werkstoffe für den extrusionsbasierten 3D-Druck entwickelt. Auch an der FHS wird in verschiedensten Forschungsprojekten an der Weiterentwicklung von 3D-Druck-Kompositen – Werkstoffen, bestehend aus zwei oder mehreren Materialien (u. a. Thermoplaste, Füllstoffe sowie Additive) – geforscht. Dabei werden sowohl die verwendeten Thermoplaste als auch die zum Einsatz kommenden Füllstoffe – exemplarisch Holzfasern, Rindenfasern, Zellulosefasern etc. – aus nachwachsenden Rohstoffquellen bezogen, vordergründig handelt es sich um Abfall- bzw. Reststoffe aus der Land- und Forstwirtschaft.
Bei dem im Januar 2024 gestarteten Projekt CircularBioMat werden ausgewählte Komponenten der technischen Gebäudeausstattung (TGA) – unter anderem Verrohrungen für die Elektroinstallation, Schalter, Steckdosen, Diffusoren für Lüftungen – versuchsweise mit Thermoplasten aus nachwachsenden Rohstoffen sowie nachhaltigen Kompositen gefertigt. Die projektrelevante Forschung beschränkt sich hierbei nicht nur auf die Entwicklung sowie die Untersuchung der Werkstoffe auf ihre Tauglichkeit für den Einsatz, auch das Recycling der Materialien nimmt einen zentralen Stellenwert im Projekt ein.
Für die Herstellung stehen verschiedenste industrielle Technologien – darunter Spritzguss, Strangextrusion sowie extrusionsbasierter 3D-Druck nach der FFF-Methode – zur Verfügung. Durch dieses Konzept soll das Erderwärmungspotenzial (GWP – Global Warming Potential) nachhaltig positiv beeinflusst werden, weil für gewöhnlich diese TGA-Komponenten aus erdölbasierten thermoplastischen Kunststoffen mit einem nachteiligen GWP produziert werden.
Neben dem klassischen 3D-Druck gibt es inzwischen sehr vielversprechende Ansätze für den sogenannten 4D-Druck. Hierbei spielt neben den drei räumlichen Dimensionen (Länge, Breite und Höhe) die Zeit eine wesentliche Rolle, genauer gesagt geht es um die Veränderung beziehungsweise Verformung eines Körpers über eine Zeitspanne. Durch die Verwendung von speziellen Kompositen – an denen auch an der FHS am Campus Kuchl geforscht wird – lässt sich diese bewusste Formänderung bei 4D-gedruckten Objekten herbeiführen. Das dahinter befindliche Funktionsprinzip ist Fichten- beziehungsweise Tannenzapfen entliehen; diese passen sich dem Vorhandensein von Feuchtigkeit durch gezielte Formänderungen an. An der FHS wird der 4D-Druck zur Herstellung von Feuchtesensoren ohne elektronische Komponenten eingesetzt. Ziel ist es, diese Sensoren innenseitig in Wandelemente zu integrieren. Bei einer plötzlichen Durchfeuchtung der Wand verformen sich die 4D-gedruckten Sensoren sichtbar aus der Wandebene heraus. Hausbewohner:innen können daher frühzeitig die Ursache für die Durchfeuchtung eruieren, bevor kostspielige – zum Teil irreparable – Schäden am Bauwerk auftreten.
Ausblick in die Zukunft (fünf bis zehn Jahre)
Seit 2015 wird die Formnext, die internationale Leitmesse für additive Fertigung, organisiert, auf der sich Tausende Interessierte über die aktuellen Trends und künftigen Entwicklungen informieren können. Bei diesen alljährlich stattfindenden Veranstaltungen zeigt sich eindrucksvoll, wohin die Reise für additive Fertigung – unter anderem auch als 3D-Druck bekannt – führt.
Additive Fertigung ist mittlerweile in den verschiedensten Industriebranchen erfolgreich vertreten, ob in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt, bei der Herstellung von medizinischen Implantaten oder im Bauwesen. Dabei ermöglicht die Fertigungstechnologie in diesen Branchen beispiellose Kreativität und Effizienz bei der Umsetzung neuer Designs oder bei der kostengünstigen Herstellung von Einzelteilen oder Kleinserien. Auch bei der Fertigung von speziellen Verbindungselementen für den Holzbau könnte die additive Fertigung in naher Zukunft vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten bieten. So könnten beispielsweise mittels 3D-Druck lastfalloptimierte Hochleistungsverbinder umgesetzt werden, die durch die gezielte Verwendung ausgewählter 3D-Druckmaterialien ressourcenschonend produziert werden können.
