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3D-Druck und additive Fertigung

Chemie unter Druck: Was bedeutet der Siegeszug der additiven Fertigung?

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Von ein paar Vorstellungen müssen Träumer sich leider verabschieden, wenn es um 3D-Drucker geht: So ist die Fertigung mit 10-20 cm3/Stunde nicht unbedingt schnell. Auch müssen die Bauteile meist von Grund auf neu designt werden. Zudem werden gedruckte Komponenten noch individuell nachbehandelt, geschliffen oder poliert.

Einfach nur auf „Drucken“ drücken reicht nicht. Schafft der 3D-Druck den Sprung in den Produktionsmaßstab, wachsen die Aufgaben mit: So ist die geforderte Langlebigkeit und Stabilität mit gedruckten Polymeren kaum zu erreichen. Anders bei Edelstahl – der aber nicht mehr „nebenbei“ im eigenen Labor gefertigt werden kann, sondern nach CAD-Vorlagen von Dienstleistern gedruckt wird.

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Die Küvette aus dem 3D-Drucker

Sobald es nicht mehr um Einzel­objekte geht, schwindet der Vorteil. Ausnahmen gibt es bei sehr komplexen Geometrien, die anders nicht gefertigt werden könnten – oder, wenn Gefäße bereits „im Entstehen“ mit Reagenzien beladen werden. Und genau da sieht Prof. Eike Hübner großes Potenzial. Der Forscher entwickelt am Institut für Organische Chemie an der TU Clausthal Reaktionsküvetten aus dem Drucker.

Dabei ist die Geometrie passend für den Einsatz in verschiedenen Messgeräten ausgelegt, erklärt Hübner. Außerdem werden die Reagenzien bereits während des Druckens unter Schutzgas eingebracht. Das Gefäß wird anschließend zu Ende gedruckt und sicher vor Luftsauerstoff verschlossen. Die fertige Küvette ist lösemittelresistent und kann auf Temperaturen um die 100 °C erwärmt werden. Anstatt Proben zu nehmen finden Reaktion und Beobachtung in einem einzigen kombinierten Gefäß statt.

Die Zukunft hat in Clausthal schon begonnen

Als Herausforderung erwies sich dabei nicht nur die Anforderung, eine druckbare Geometrie zu gestalten, sondern auch die Kompatibilität mit den Laborbedingungen zu gewährleisten. Und natürlich müssen auch Störungen der Messungen durch das Druckmaterial vermieden werden. Schon jetzt nutzen die Entwickler in Clausthal gedruckte Küvetten in ihrer täglichen Arbeit. In Zukunft sollen sich Labore in aller Welt entsprechende „Baupläne“ für den Eigenbedarf herunterladen können. Noch weiter reicht die Vision, Katalysatoren in das Druckmaterial einzubinden.

Der "Elon Musk des 3D-Drucks" und sein Chemputer

In eine ähnliche Richtung gehen die Arbeiten von Prof. Lee Cronin aus Glasgow: Der umtriebige Forscher, der sich selbst als „Kontrollfreak auf Entzug“ beschreibt, gilt als eine Art Elon Musk des 3D-­Drucks. Cronin träumt schon mal öffentlichkeitswirksam davon, zusammen mit BAE unbemannte Flugzeuge im Chemiebad zu züchten. So lange tüftelt der Brite aber mit seinem „Chemputer“ genannten Verfahren an kompletten Miniatur-Chemiefabriken aus dem 3D-­Drucker. Dabei werden mehrere, nur wenige Zentimeter große „Rührkessel“ zu Reaktionskaskaden verbunden und als ein gemeinsames Objekt gedruckt. So sind auch komplexe, mehrschrittige Reaktionen möglich. Verglichen mit Glas sei die Ausbeute zwar etwas geringer, an alternativen Materialien werde aber geforscht.

Die Chemie wird digital: Wie Drohnen und Flugzeugteile im Reaktor wachsen sollen, zeigt dieses BAE-Video:

„Das 3D-Druck-Geschäft ist für Chemieunternehmen nur in Marktsegmenten sinnvoll, in denen Wertschöpfungsstufen übersprungen werden können“, erklärt Camelot-Partner Sven Mandewirth. „Es ist daher immens wichtig, die angestrebten Marktsegmente genau hinsichtlich technischer Machbarkeit und Marktpotenzial zu prüfen.“ Ein Beispiel dafür könne die Vorwärtsintegration sein, wie sie etwa Wacker für silikonbasierte Werkteile durchgeführt hat.

Die Pille aus dem 3D-Drucker: Welches Potenzial hat die additive Fertigung in der Pharma-Branche?

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