PLA² fArMing: Additiv gefertigte PLA-endlosfaserverstärkte PLA-Komposite für kleinbäuerliche Landwirtschaft

keywords: additive manufacturing, 3D-printing, material extrusion, life cycle assessment, analysis of recycling potentials, farming, CAD, FEM analysis, UN sustainable development goals, close-loop, continuous fibre reinforced composite, biopolymer

Als Projekt im Rahmen des Aufrufs Pro Nachhaltigkeit an der TU Berlin, zielt PLA² fArMing darauf ab, die Umsetzung der Sustainable Development Goals (SDGs) der UN (4 Ziele: Keine Armut, Kein Hunger, Gesundheit und Wohlfahrt, Nachhaltiger Konsum/Produktion) durch den anwendungsorientierten Einsatz von Biopolymer-Verbundstoffen (PLA-Fasern in PLA-Filament) im 3D-Druck zusammen mit dem Schwerpunkt und Untersuchung auf Recyclingfähigkeit und Lebenszyklusanalyse zu unterstützen. Das Nachhaltigkeitsprojekt besteht aus einem intenationalem Expertisencluster mit zwei Fakultäten der TU Berlin, dem Fraunhofer IAP, Uppsala University (Sweden) und Michigan Tech (USA).

Zusammenfassung

Im Projekt wird eine neue Art der Monomaterialkombination mit zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten, sozialer Relevanz und großem Potenzial für eine nachhaltige Anwendung entwickelt. Während des Projekts werden konkrete Produktdesigns unter Verwendung dieser Technologie entwickelt, wobei der Schwerpunkt explizit auf der Benutzungsfreundlichkeit und den Anforderungen vor Ort sowie auf Aspekten der Kreislaufwirtschaft liegt. Der wissenschaftliche Mehrwert wird durch die mechanische Analyse dieses neuen Monomaterial-Verbundwerkstoffs geschaffen, der experimentell und modellbildend untermauert wird.

Ziel

Die zentralen Ziele dieses Kooperationsprojekts sind daher die Herstellung eines Monomaterial-Verbundwerkstoffs aus PLA im 3D-Druckprozess und die zuverlässige Vorhersage der mechanischen Eigenschaften mit analytischen und numerischen Methoden. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Anwendung des Monomaterials zur Verwendung in Geräten mit kleinlandwirtschaftlicher Anwendung.

Projekt

In diesem Projekt sollen die mechanischen Eigenschaften von 3D-gedruckten Strukturen aus PLA-endlosfaser-verstärktem PLA-Filament analytisch mit Hilfe von Computermodellierung und numerischer Analyse untersucht und mit experimentellen Ergebnissen verglichen werden. Die Faser besteht aus einem LPLA-DPLA-Stereokomplex (scPLA) mit größerer Steifigkeit als das Filament und einer höheren Schmelztemperatur. Die gedruckte Struktur enthält daher nur PLA und kann somit problemlos zu Pellets oder als reextrudiertes Filament für den 3D-Druck recycelt werden. Diese innovative Monomaterialkombination bietet großes Potenzial für den Transfer von Forschungsarbeiten.

Wichtigste Forschungsfragen

• Prozessoptimierung bei der Faserextrusion und die Charakterisierung der Stereo-PLA-Faser
• Herstellung von Prüflingen aus zwei verschiedenen Polymerherstellungsverfahren
• Charakterisierung des mechanischen Verhaltens von PLA-PLA-Verbundwerkstoffen im 3D-Druck
• Modellierung der 3D-gedruckten faserverstärkten Struktur
• Forschung in Bezug auf die SDGs

Forschung in Bezug auf die SDGs

Zahlreiche SDGs werden durch die anwendungsorientierte Ausrichtung des Projekts mit spezifischen Nutzungsabsichten und den entsprechenden Kooperationen, aber auch durch die Betonung und Untersuchung der Recyclingfähigkeit und Biokompatibilität der verwendeten Rohstoffe angegangen. Über 70 Prozent aller Menschen weltweit mit Ernährungsunsicherheit leben in ländlichen Gebieten, die meisten von ihnen in Kleinbauern- und Subsistenzlandwirtschaft [1]. Durch die Optimierung einzelner Werkzeuge, die vor Ort hergestellt werden können, wird kurz- und mittelfristig ein Beitrag zur Verbesserung der Lebens- und Arbeitsbedingungen geleistet.

SDG 1 Keine Armut:
Durch Senkung der laufenden Kosten zur Aufrechterhaltung der Subsistenzlandwirtschaft werden mehr Ressourcen zur Selbstversorgung sowie zur Versorgung der Gemeinschaft frei.

SDG 2 Kein Hunger:
Durch besseren Einsatz der knapper werdenden Arbeitskraft im ländlichen Raum können Erträge gesteigert und eine Verbesserung der Nahrungsmittelsicherheit erzielt werden. Additive Fertigung ermöglicht vor-Ort Reparaturen, was zu einer Reduzierung von Vorlaufzeit, sowie Abhängigkeit von Herstellern führt. Dadurch können potentiell gesamte Ernten gerettet werden können.

SDG 3 Gesundheit und Wohlergehen:

Die Verbesserung der Umstände körperlicher Arbeitsbedingungen durch Verfügbarkeit innovativer und individueller Werkzeuge im landwirtschaftlichen Bereich kann einen Beitrag zum Wohlergehen der zahllosen Kleinbäuerinnen und -bauern leisten.

SDG 12 Nachhaltiger Konsum/Produktion:

Durch den besonderen Fokus auf Life-Cycle-Analysen und Recyclingkonzepte wird gewährleistet, dass der gesamte Entwicklungsprozess über die Nutzung bis zur Wiederverwertung im Zeichen nachhaltiger Produktentwicklung stehen. Bedarfsanalysen stellen darüber hinaus sicher, dass kein Produkt entsteht, das nicht benötigt wird. So wird unnötige Nutzung von Ressourcen vermieden.
 

[1] FAO, “The State of Food and Agriculture” Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO), Rome, 2014