BeAM 3D-Druck wird umweltfreundlicher

Im Jahr 2014 eröffnete Carolina seinen ersten Makerspace – 400 Quadratmeter groß in der Kenan Science Library. Heute beherbergt der Campus mehrere Makerspaces. Drei davon sind Teil des BeAM@CAROLINA, das allen Studierenden, Mitarbeitern und Lehrkräften von Carolina offen steht.

In zwei dieser Räume können Schüler ein Objekt am Computer entwerfen und es dann durch 3D-Druck zum Leben erwecken. Beim Drucken wird fadenförmiges Material, sogenanntes Filament, in den Drucker eingeführt und dann schichtweise auf einer darunter liegenden Platte abgelegt. Sobald alle Ebenen abgelegt sind, ist das 3D-Objekt fertig. Allerdings sind nicht alle Projekte ein Erfolg, und da die meisten Filamente aus Kunststoff bestehen, landen gescheiterte 3D-gedruckte Projekte im Müll.

„Der überwiegende Teil des 3D-Drucks ist Abfall“, sagte Glenn Walters, leitender technischer Berater von BeAM. „Aber mit dem allPHA von colorFabb brauchen Sie nicht einmal einen Recyclingstrom – es ist kompostierbar.“

Die Eastman Chemical Company beliefert BeAM seit Jahren großzügig mit dem XT-Filament (einem Co-Polymer-Polyester oder CPE) von colorFabb. Im Jahr 2022 wurde das neue, biologisch abbaubare allPHA-Filament (ausgesprochen Alpha) von colorFabb verfügbar. Zu diesem Zeitpunkt begann BeAM über Möglichkeiten nachzudenken, das starke, temperaturbeständige XT-Filament durch dieses neue, nachhaltige Filament zu ergänzen.

Durch die Bereitstellung von allPHA in seinen Räumen verringert BeAM seinen Abfall-Fußabdruck. BeAM erforscht außerdem Möglichkeiten zur Wiederaufbereitung und Wiederverwendung dieses Materials.

Im Murray Makerspace weist Walters auf die PRUSA 3D-Drucker hin, mit denen Schüler Objekte aus AllPHA-Filament herstellen können. PRUSA-Drucker in Carmichael werden bald mit dem neuen Filament ausgestattet. In beiden Bereichen können einige UltiMaker-Drucker auch mit allPHA drucken.

Laut colorFabb reduziert der Einsatz von allPHA sowohl Treibhausgase als auch die Umweltverschmutzung durch Kunststoffe und schafft gleichzeitig eine Kreislaufwirtschaft.

Für die meisten seiner Filamente empfiehlt colorFabb den Herstellern, auf einer beheizten Platte zu drucken. Aber für allePHA ist ein kühler Teller vorzuziehen. Nicht beheizte Betten bedeuten, dass weniger Strom benötigt wird – weniger Strom bedeutet weniger Treibhausgasemissionen.

Die weiche, flexible Natur von allPHA schafft eine Lernkurve für Hersteller. Da das Material jedoch biologisch abbaubar ist, gibt es mehr Raum für Versuch und Irrtum und weniger Sorgen, dass gescheiterte Projekte Hunderte von Jahren auf der Mülldeponie landen.

Der Unterschied in den Materialien ist offensichtlich. Während das allPHA eine natürlichere Textur hat, ist das XT-Filament glänzend. Die beiden Filamente bestehen aus unterschiedlichen Polymertypen. Konkret besteht allPHA aus Polyhydroxyalkanoat-Polymeren. Diese Polymere entstehen durch Fermentation durch Bakterien. Verschiedene Arten von Bakterien stellen unterschiedliche PHA-Polymere her. Diese verschiedenen Polymere werden dann zu einem starken, widerstandsfähigen Filament zusammengefügt.

BeAM hält allPHA für zukünftige Projekte auf Lager. Die Kosten für dieses Filament sind etwa 30 % höher als für nicht biologisch abbaubare Filamente. Sustainable Carolina war sich der Rolle bewusst, die allPHA bei der Reduzierung von Abfällen und Treibhausgasemissionen auf dem Campus spielen könnte, und kam zu dem Schluss, dass es sinnvoll sei, zur Finanzierung des Anfangsbestands von allPHA beizutragen.

Joel Hopler, technischer Leiter des Hanes Art Center/Murray Makerspace, weist auf einen experimentellen Raum in einem kleinen, erhöhten Pflanzgefäß hin, der Anfang des Jahres erstellt wurde, um dem Team zu zeigen, wie alle PHA-Objekte zerfallen.

Außerhalb des BeAM-Makerspace gibt es einen Ort, an dem man allen PHA-Druckfehlern Respekt zollen kann: einen kleinen, erhöhten Pflanzer. Die Zersetzungsgeschwindigkeit hängt von der Materialdicke sowie von Kompostfaktoren wie Hitze, Feuchtigkeit und mikrobieller Aktivität ab.

In Zukunft hofft BeAM auf die Anschaffung einer Mühle, um gescheiterte allPHA-Projekte mechanisch zu zerkleinern. Dies würde den Zersetzungsprozess ankurbeln.

Das Team bleibt über die wissenschaftliche Literatur auf dem Laufenden, die Methoden zur Optimierung des biologischen Abbaus in der Umwelt beschreibt. Dies ist sicher, da das Material bei der Zersetzung kein Mikroplastik produziert.

„Studenten in Carolina legen großen Wert auf die Umwelt“, sagte Walters. „Durch die Schaffung einer kontrollierteren Umgebung können wir ihnen Zugang zu Materialien ermöglichen, um die sie sich keine Sorgen machen müssen, und ihnen helfen, bessere Gewohnheiten zu entwickeln.“

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