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ADDITIVE FERTIGUNG MIT
HOLZBASIERTEN MATERIALIEN
MATERIALIEN – PROZESSE – ANWENDUNGSFELDER
Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
Autoren: Dipl.-Ing. Johannes Kohl
Dipl.-Ing. Julia Kaufhold
M. Sc. Henry Burkhardt
Herausgeber: Institut für Holztechnologie Dresden gemeinnützige GmbH
Zellescher Weg 24
01217 Dresden · Germany
+49 351 4662 291
henry.burkhardt@ihd-dresden.de
www.ihd-dresden.de
Mitwirkung; Dipl.-Inf. (BA) Johannes Heinelt
B.Sc. Amelie Neugebauer
Titelbild: IHD/Heinelt
September 2018
2
Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
Inhalt
1 Einleitung........................................................................................................................ 4
2 Studiendurchführung..................................................................................................... 5
2.1 Begriffserklärung additive Fertigung...............................................................................5
2.2 Additive Fertigungstechnologien....................................................................................7
2.3 Holzbasierte Materialien für die additive Fertigung.....................................................11
2.4 Anwendungsfelder.........................................................................................................13
2.5 Forschungsfelder...........................................................................................................14
3 Forschungsinstitute...................................................................................................... 15
3.1 Fraunhofer-Institut für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut WKI........................16
3.2 Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS............18
3.3 Georg-August-Universität Göttingen, Abteilung Holzbiologie und Holzprodukte........20
3.4 Institut für Holztechnologie Dresden............................................................................22
3.5 Technische Universität Dresden, Professur für Forstnutzung.......................................24
3.6 Technische Universität Dresden, Professur für Holztechnik und Faserwerkstofftechnik........ 26
3.7 Technische Universität München, Lehrstuhl für Holzbau und Baukonstruktion..........28
4 Forschungs-Roadmap................................................................................................... 30
4.1 Forschungspotenzial hinsichtlich der 3D-Druck-Technologie........................................30
4.2 Forschungspotenzial hinsichtlich der holzbasierten Materialien......................................31
4.3 Forschungspotenzial hinsichtlich der Anwendungsfelder.............................................31
4.4 Auswertung der Forschungs-Roadmap.........................................................................32
5 Zusammenfassung und Ausblick................................................................................... 33
6 Literaturverzeichnis ..................................................................................................... 34
3
Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
1 EINLEITUNG
Additive Fertigungsverfahren1, insbeson- in Beton wurde ebenfalls bereits generativ
dere mit Kunststoffen und metallischen verarbeitet [Hen16].
Werkstoffen, haben in den letzten Jahren Die additive Fertigung ist für viele holz-
enorm an Bedeutung gewonnen [Geb13; spezifische Anwendungsfelder sehr inte-
VDI16]. Auch bei keramischen Werkstoffen ressant. Zu nennen sind dort vor allem
konnten deutliche Weiterentwicklungen die Branchen Möbelbau, Automotive und
beobachtet werden [Kol15; MRP16]. Transport, das Bauwesen sowie die Sport-
Die zunehmende Bedeutung dieser neu- und Spielgeräteindustrie, die alle ein gro-
en Verfahrensgruppe wird durch die der- ßes Potential hinsichtlich des Einsatzes der
zeitigen Wachstumszahlen des 3D-Druck- additiven Technologien, nicht nur mit dem
Marktes deutlich. So wurden weltweit Werkstoff Holz, bergen. Mittels extrusions-
0,529 Mrd. US-Dollar im Jahr 2003 und basierten, additiven Fertigungsverfahren
bereits 3,07 Mrd. US-Dollar im Jahr 2013 konnten beispielsweise bereits Stühle,
umgesetzt. Der prognostizierte Umsatz Bauwerke und Prothesen generativ gefer-
für das Jahr 2020 soll bereits bei 21 Mrd. tigt werden [Dui15; Bex16; Han15].
US-Dollar liegen. Ein weiteres Indiz für das Die vorliegende Studie gibt einen Überblick
Wachstum der additiven Fertigung liegt über Forschungsaktivitäten in Deutschland
in einer Verdreifachung von Patenten und im Bereich des 3D-Drucks mit Holzmaterialien
Publikationen im Zeitraum der Jahre von für die gesamte Bandbreite der für Holzwerk-
2000 bis 2012 [EFI15]. stoffe typischen Anwendungsfelder.
Hinsichtlich der Verarbeitung mit additiven Es erfolgt zunächst eine Vorstellung
Fertigungsverfahren wird der Werkstoff des Studiendesigns einschließlich einer
Holz bislang wenig betrachtet. Allerdings Kurzeinführung zum Thema additive Ferti-
sind seit einigen Jahren verschiedene Fi- gung sowie der Vorstellung verschiedener
lamente mit Holzanteilen von bis zu 40 Forschungsfelder der additiven Fertigung
Gew.-% für das Fused Filament Fabrica- mit möglichen Materialien auf Basis von
tion-Verfahren verfügbar. Als Matrixmate- Holz und deren Derivaten sowie zu relevan-
rial für die Holzpartikel werden vorrangig ten Anwendungsfeldern. Basierend darauf
PLA und PLA-PHA Kunststoffe eingesetzt werden auf diesem Gebiet in Deutschland
[Col17; Fil17a; Fil17b]. Ein anderer Ansatz führende Forschungsstellen vorgestellt,
zur additiven Fertigung in Verbindung mit die auf Grundlage einer Umfrage an dieser
Holz wird durch ein Binderpulverbettver- Studie teilgenommen haben. Daraus wur-
fahren realisiert. Hier wird Holzpulver als de eine Forschungsroadmap erstellt, die
Zuschlagstoff für verschiedene Bindemit- die notwendigen künftigen Forschungsent-
tel wie Gips, Methylzellulose und Zement wicklungen auf diesem Gebiet aufzeigt.
eingesetzt [HT13]. Holz als Zuschlagstoff
1
Weitere Bezeichnungen für additive Fertigung sind generative Fertigung und 3D-Druck.
4
Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
2 STUDIENDURCHFÜHRUNG
2.1 BEGRIFFSERKLÄRUNG ADDITIVE FERTIGUNG
Die additiven Fertigungsverfahren stehen eine Vielzahl technologisch teilweise stark
den subtraktiven und formativen Techno- voneinander abweichender Teilverfahren
logien gegenüber und unterteilen sich in (Abbildung 1) [Geb13].
Fertigungsverfahren
substraktive formative additive
Verfahren Verfahren Verfahren
generative
Fräsen ... Schmieden ... Fertigungsverfahren
Bettbasierte Freiraum Schichtbau Polymerisations
Sprühverfahren
Verfahrren verfahren verfahren verfahren
Abbildung 1: Einordnung der additiven Verfahren in die Übersicht der Fertigungsverfahren
Additive Fertigung bezeichnet dabei ein Prinzip beruht auf einem Auf- oder Anei-
Herstellungsprinzip, bei dem das Baumate- nanderfügen mehrerer Volumenelemente,
rial zur Erzeugung eines Bauteils element- sogenannter Voxel (Abbildung 2) [Geb13;
oder schichtweise hinzugefügt wird. Das VDI14;BBW13].
3D-Modell Schnittmodell Schichtweiser Aufbau Bauteil
Ebene
Druckrichtung
Voxel
Aufbereitung Überführung Konsolidierung
Abbildung 2: Darstellung des Herstellungsprinzips additiver Fertigungsverfahren nach [Kre15]
5
Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
Diese Art der Herstellung ermöglicht die CAD-Modells von einem Netz aus verschie-
Generierung geometrisch komplexer Struk- den großen Dreiecken überzogen und somit
turen, die nicht oder nur unter großem beliebig genau, je nach Größe der Dreiecke,
Aufwand mit konventionellen Fertigungs abgebildet. Anschließend werden diese Da-
verfahren hergestellt werden können. Daraus ten von einer Slicer-Software weiter verar-
eröffnen sich Möglichkeiten zur Erzeugung beitet, die unter Angabe der Schichtdicke
individueller Produkte, wobei keine speziell das Modell in gleich oder verschieden hohe
hergestellten Werkzeuge benötigt werden. Schichten mit entsprechender Außenkontur
Weiterhin entfallen auch geometrische Re- unterteilt. Die so gewonnenen Daten wer-
striktionen, die mit konventionellen Ferti- den als G-Code exportiert und dem „3D-
gungsverfahren verbunden sind. Drucker“ zur Fertigung zugeführt. Nachdem
Zur Herstellung von Bauteilen durch addi- das gewünschte Modell im Bauraum des Dru-
tive Verfahren werden 3D-Datensätze be- ckers fertiggestellt worden ist (Abbildung 2),
nötigt. Diese werden entweder aus einem kann es noch einer eventuellen Nachbear-
realen physischen Modell durch Messungen beitung unterzogen werden [Geb13;VDI14].
generiert oder aus 3D-CAD-Modellen er- In Tabelle 1 sind verschiedene Vor- und
stellt. In der Regel werden diese Datensätze Nachteile, die jedoch stark vom jeweiligen
in das STL-Datenformat umgewandelt. Bei additiven Verfahren abhängen, dargestellt.
diesem Prozess wird die Oberfläche des
Tabelle 1: Allgemeine Vor- und Nachteile additiver Fertigungsverfahren
Vorteile Nachteile
verkürzte Produktentwicklungszeit und Einfüh- Materialkosten pro Stück derzeit noch höher als
rungszeit bei umformenden oder abtragenden Verfahren
vereinfachte Wertschöpfungskette, Produktion in Baurichtung des Bauteils geringe Oberflächen-
kann lokal und zeitlich flexibel erfolgen qualität, abhängig von gewählter Schichtdicke
und Verfahren
funktionsintegrative, komplexe Strukturen fertig- Nachbearbeitung bei Bohrungen, Gewinden,
bar Passungen
kaum Restriktionen hinsichtlich der Gestaltungs- geneigte, auskragende und horizontal freilie-
möglichkeiten gende Strukturen benötigen zusätzliches Stütz-
material
nachhaltige Produktion, nur tatsächlich not- deutlich langsamere Fertigung als mit urformen-
wendiges Rohmaterial wird verarbeitet den oder abtragenden Verfahren
Massenindividualisierung, Personalisierung derzeit noch starke Bauraumbeschränkungen
effiziente Fertigung ab Stückzahl 1, da keine Bauteilauslegung bedarf Berücksichtigung an-
Werkzeuge benötigt werden isotroper Eigenschaften
Bauteileigenschaften können gezielt lokal Schrumpfungen, Eigenspannungen oder Ver-
durch Einstellung der Prozessparameter ange- formungen durch lokale Temperaturunter-
passt werden schiede möglich
6
Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
2.2 ADDITIVE FERTIGUNGSTECHNOLOGIEN
Eine Einteilung der additiven Fertigungs- men werden. Die nachfolgende Tabelle 2
technologien kann sowohl nach verfah- gibt einen Überblick über die wichtigsten
renstechnischen Gesichtspunkten als auch Verfahrensgruppen und benennt zugehöri-
hinsichtlich des Aggregatzustandes des der ge Beispieltechnologien.
Maschine zugeführten Materials vorgenom-
Tabelle 2: Übersicht additiver Fertigungstechnologien durch Einteilung in Verfahrensprinzipien
Verfahren
Verfahrensprinzip Beispieltechnologien Funktionsweise
▪▪Selektives Lasersin- ▪▪Material als Granulat
tern (SLS) oder Pulver im Bett
Bettbasierte Verfahren
▪▪Selektives Laser- ▪▪Verfestigung durch
schmelzen (SLM) Laser oder che
▪▪3D-Printing (3DP) mischen Binder
▪▪Fused Deposition ▪▪Material wird frei
Freiraumverfahren
Modelling (FDM) im Raum abgelegt
▪▪Contour Crafting ▪▪Verfestigung durch
(CC) Abkühlen oder
Trocknen
▪▪Polyjetverfahren ▪▪Material wird auf-
▪▪Aerosol-Druck- gesprüht
Verfahren ▪▪Verfestigung durch
UV-Licht oder
Verdampfen der
Sprühverfahren
Trägerflüssigkeit
7Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
▪▪Layer Laminate ▪▪folienweises Able-
Manufacturing gen des Materials
▪▪Konturierung der
Schichtbauverfahren
(LLM)
Folien erfolgt durch
Laser, Messer,
Fräser
▪▪Stereolithographie ▪▪flüssiges Material
Polymerisationsverfahren
(SL) ▪▪Verfestigung durch
▪▪Digital Light Pro- UV-Laser bzw.
cessing (DLP) Lampen
Nachfolgend werden in Tabelle 3 für die in Vor- und Nachteile genannt.
Tabelle 2 genannten Verfahren allgemeine
Tabelle 3: Vor- und Nachteile der jeweiligen additiven Fertigungsverfahren
Vorteile Nachteile
▪▪verschiedene pulverförmige Materialien ▪▪kompletter Bauraum wird mit Mate-
können verarbeitet werden (Kunststoffe, rial gefüllt, deswegen mehr Material
Bettbasierte Verfahren
Metalle, Keramiken) während des Fertigungsprozesses not-
▪▪selbsttragendes Pulverbett ermöglicht wendig als für Bauteil erforderlich
Fertigung von Überhängen ohne Stütz- ▪▪hohe Materialkosten, insbesondere
konstruktion kritisch bei großen Bauräumen, da
unverfestigtes Material nur teilweise
wiederverwendet werden kann
▪▪Oberfläche der Bauteile ist aufgrund der
Korngröße der Pulver rau
▪▪Material wird nur dort aufgebracht, wo ▪▪bedarf Stützkonstruktionen bei Ferti-
Freiraumverfahren
das Modell entstehen soll gung von Überhangstrukturen
▪▪theoretisch keine Bauraumbegrenzung ▪▪für kleine, komplexe Strukturen weniger
geeignet
▪▪schlechtere Oberflächenqualität und
Festigkeit in Höhenrichtung des Bauteils
8Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
▪▪kein überschüssiges Material im Einsatz ▪▪Stützmaterial notwendig bei Fertigung
Sprühverfahren
▪▪sehr hohe Genauigkeiten erzielbar von Überhängen
▪▪je größer das Verhältnis von Fläche zu ▪▪unwirtschaftlich bei filigranen Strukturen
▪▪großer Materialverschnitt
Schichtbauverfahren
Umfang einer Schicht ist, desto effizienter
sind diese Verfahren
▪▪Vorteile bei massiven, großvolumigen
Bauteile
▪▪i. d. R. keine Stützstruktur notwendig, da
überschüssiges Material im Druckbereich
verbleibt
▪▪hohe erreichbare Oberflächenqualität ▪▪begrenzter Bauraum durch Behälter mit
Polymerisationsverfahren
und Genauigkeiten je nach Verfahren flüssigem Monomer
von bis zu 0,076 ± 0,013 mm [BBW13] ▪▪Stützmaterial notwendig bei Fertigung
▪▪wenige verfügbare Materialien von Überhängen
Anhand des Ausgangsmaterials werden und das Material Holz bewusst ausgelas-
die generativen Fertigungsverfahren nach sen. Eine Markierung mit „x“ bedeutet,
[BBW13] eingeteilt. Entscheidend dabei ist dass diese Materialien standardmäßig ver-
der Aggregatzustand des der Maschine zu- fügbar sind. Die Markierung mit „(x)“ zeigt,
geführten Materials. Bauteile können aus dass Forschung für die entsprechenden
einer festen, flüssigen, gasförmigen oder Materialien betrieben wird. Unter sonsti-
auch pastösen Phase generiert werden (Ta- gen Materialien werden Materialien wie
belle 4). Hier werden vorerst die in der Li- Beton, Sand, Gips und Papier verstanden.
teratur verwendeten Materialien genannt
9Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
Tabelle 4: Einteilung additiver Fertigungsverfahren nach Aggregatzustand des der Maschine zugeführten Materials
Ausgangsmaterial
Aggregatzustand
Technologisches
Thermoplaste
Duroplaste
Verfahren
Sonstiges
Keramik
Metalle
Prinzip
Verkleben und Ver- Laminated Layer Manu-
Folien x x x x
schmelzen factoring LLM
Aufschmelzen und Extru- Fused Deposition Model-
Filament x (x) (x) (x)
dieren ling FDM
Aufschmelzen und Auf- Arburg-Kunststoff-Frei-
Granulat x (x)
spritzen formen AKF
Verfestigung durch 3D-Drucken 3DP
x x x
Binder
Fest punktweises Härten mit Lasersintern LS x x x (x)
Laserstrahl Laserstrahlschmelzen LSS x x x
punktweises Besprühen Laserauftragsschweißen
Pulver und Aufschmelzen mit x x
Elektronenstrahl
punktweises Aufschmel- Elektronenstrahlschmel-
x
zen mit Elektronenstrahl zen EBM
flächenweises Schmelzen Maskensintern MS
x
mit Infrarotstrahler
flächenweises Härten mit Poly-Jet-Modelling PJM x
UV-Strahlung Digital Light Processing
x
DLP
Continuous Liquid Inter-
x
Flüssig face Production CLIP
punktweises Härten mit Stereolithografie SL
x
Laserstrahl
Verflüssigung und Auf- Multi-Jet-Modelling MJM
x
spritzen
Aushärten an Luft nach Contour Crafting CC
Pastös x
Düsenaustrag
physikalisches Abscheiden Aerosoldruckverfahren
x x x x
Gas- aus Aerosolen
förmig chemisches Abscheiden Laser Chemical Vapour
x x
aus Gasphase Deposition LCVD
10Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
2.3 HOLZBASIERTE MATERIALIEN FÜR DIE ADDITIVE FERTIGUNG
Nachfolgend werden die in dieser Studie die für die additive Fertigung in Frage kom-
berücksichtigten Holzwerkstoffe vorgestellt. men, und gibt eine kurze Erläuterung des
Tabelle 5 zeigt die holzbasierten Materialien, jeweiligen Materials.
Tabelle 5: Holzbasierte Materialien und Erläuterung [Tür14; ES09]
Material Erläuterung Relevanz für die additive Fertigung
▪▪druckfeste, amorphe Matrix des ▪▪potentieller Füllstoff für diverse
Holzes Aufbaumaterialien
▪▪Anteil in Pflanzen bei 15 - 40 % ▪▪potentiell eigenständig als Aufbau-
▪▪komplexe dreidimensionale Struktur material nutzbar
Lignin
▪▪hohe chemische Beständigkeit ▪▪theoretisch als holzeigenes Binde
▪▪Nebenprodukt der Zellstoffproduk- mittel in verschiedenen Druck-
tion aus Hölzern prozessen nutzbar
▪▪Alternative zu Phenolharzen durch
Einsatz als Bindemittel
▪▪Spritzguss, Extrusion möglich
▪▪zugfeste Komponente des Holzes ▪▪potentieller Füllstoff für diverse
▪▪langgestreckte Struktur der Cel- Aufbaumaterialien
luloseketten, geordnete kristalline ▪▪potentiell als Aufbaumaterial in
Bereiche (Kristalinitätsgrad bis 80 %) Form von Leim nutzbar
▪▪Strukturpolysaccharid, Homoglykan
Cellulose
▪▪aus Baumwolle sowie durch Auf-
schluss von Hölzern gewonnen
▪▪Anteil in Hölzern bei 30 - 50 %, bei
Baumwolle zu 85 – 90 %
▪▪Anwendung als Zellstoff, zur Papier
herstellung, Fasern für Bekleidung,
Watte und Vliese
▪▪Regeneratcellulose: Viskosefasern ▪▪potentieller Füllstoff für diverse
und Cellophan-Folie Aufbaumaterialien
▪▪Cellulose-Derivate: Celluloseester,- ▪▪potentiell eigenständig als Aufbau-
ether material nutzbar
▪▪Celluloseacetat: Verarbeitung zu Fo-
Polymere lien bzw. Filmen, mit Weichmacher
auf Basis ein thermoplastischer Kunststoff
von Holzbe (Billardkugel, Tischtennisball,
standteilen Brillengestell)
▪▪Methylcellulose: Einsatz als Kleb
stoff, Verdickungs-, Bindemittel
▪▪Lignin: Ansätze zur Nutzung als
formbares Bindemittel bei Span-
plattenherstellung
11Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
▪▪Einsatz als verstärkende Kompo- ▪▪potentieller Füllstoff für diverse
nente in WPC Aufbaumaterialien
Holzmehle
▪▪Füll- und Verstärkungsstoff für
Kunststoffaufbaumaterialien
▪▪Nadelholzfasern 3,5 - 6 mm Länge, ▪▪potentielle Nutzung als Aufbauma-
Schlankheitsgrad etwa 100 terial in Verbindung mit Bindemittel
Holzfasern
▪▪Laubholzfasern 1 - 1,5 mm Länge
Schlankheitsgrad etwa 38 - 60
▪▪Verwendung als verstärkende Kom-
ponente in WPC und als Dämmstoff
▪▪Nebenprodukt bei spanender Holz- ▪▪potentielle Nutzung als Aufbauma-
bearbeitung terial in Verbindung mit Bindemittel
Holzspäne
▪▪Herstellung von Spanplatten durch
Beaufschlagung mit Bindemitteln
▪▪Verwendung als Dämmstoff, Holz-
briketts und Holzpellets
Lagenför ▪▪Anwendung in Form von Furnieren, ▪▪potentielle Nutzung als Aufbauma-
mige Holz Platten und Holzfolien terial in Verbindung mit Bindemittel
werkstoffe
Neben den Holzwerkstoffen selbst ist für Dabei können sowohl synthetische als
die additive Fertigung mit den meisten der auch natürliche Bindemittel zum Einsatz
beschriebenen Holzmaterialien ein Binde- kommen. Die nachfolgende Tabelle 6 fasst
mittel bzw. Matrixmaterial erforderlich, um die in dieser Studie berücksichtigten Binde-
den Stoffzusammenhalt zu gewährleisten. mittel zusammen.
Tabelle 6: Bindemittel für holzbasierte Materialien [Tür14; ES09]
Bindemittel Erläuterung
▪▪Thermoplaste sind bis zur Zersetzungstemperatur nicht vernetzt
▪▪lassen sich in spezifischen Temperaturbereich (oberhalb
Schmelztemperatur) verformen
Thermoplastisches Polymer
▪▪wiederaufschmelzbar
▪▪Verarbeitung vor allem in Form von Spritzguss und Extrusion
▪▪Vertreter: PE, PC, PS, PVC, PA, ABS
▪▪Duroplaste können nach ihrer Aushärtung nicht mehr ver-
formt werden
Duroplastisches Polymer ▪▪chemisch engmaschig vernetzt
▪▪in der Regel amorphe Strukturen
▪▪Vertreter: EP, UF, MF, PF, UP
▪▪anorganischer, nichtmetallischer Baustoff
Zementwerkstoffe ▪▪erhärtet durch Reaktion mit Wasser zu einem festem Gemisch
▪▪Wasser wird chemisch gebunden
12Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
Holzeigene Bindemittel ▪▪Lignin, Celluloseleim, Hemicellulose
Natürliche Bindemittel ▪▪Eiweiße, Stärke, Gelatine, Pektin, Sago
Sonstige ▪▪gebrannter Kalk, Lehm, Kasein, Wachs, Bitumen, Ton
2.4 ANWENDUNGSFELDER
Additive Fertigungsverfahren haben viel- chen und Beispiele geben. Die Auswahl der
fältig denkbare Anwendungsfelder, die dargestellten Beispiele zeigt, wie vielfältig
sich durch die stete Weiterentwicklung der die später vorgestellten Forschungsinstitute
Verfahren ständig erweitern. Tabelle 7 soll arbeiten.
einen Überblick über verschiedene Bran-
Tabelle 7: Anwendungsfelder additiver Fertigungsverfahren
Anwendungsfeld Beispiele
Archäologie und Restauration ▪▪Präsentationsmittel
▪▪Anschauungsmuster
▪▪Replikate
Automobil und Transport ▪▪Konzeptmodelle
▪▪Ersatzteile (Kleinserie)
▪▪Innenausstattung
Bauwesen ▪▪Architekturmodelle
▪▪Fertigen von Gebäudekomponenten
▪▪Fertigen kompletter Bauwerke
Consumer- und Schmuckobjekte ▪▪Kunst und Design
▪▪Schmuck
▪▪Leuchten
▪▪Innendekoration
▪▪Ersatzteile
Maschinenbau ▪▪Funktionale Prototypen
▪▪Ersatzteile (Kleinserien)
▪▪Werkzeug-/Formenbau
▪▪Luft und Raumfahrttechnik
Medizintechnik ▪▪Haut-, Knochen-, Knorpel-Implantate
▪▪zukünftig Druck von Organen und Prothesen
Möbel- und Innenausbau ▪▪Möbel, Verbindungselemente
▪▪Modelle
▪▪Konstruktionshilfen (Winkellehre)
▪▪Formen zum Kopier-/Anlauffräsen
Sport- und Spielgeräte ▪▪Modellbau, Gesellschaftsspiele
13Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
2.5 FORSCHUNGSFELDER
Um in den nachfolgenden Kapiteln einen verschiedene Forschungsfelder katego-
besseren Überblick zum Forschungsstand risiert. In der nachfolgenden Tabelle 8 ist
der additiven Fertigung mit holzbasierten dargestellt, welche Teilaspekte der For-
Materialien geben zu können, werden fünf schung sie jeweils umfassen.
Tabelle 8: Forschungsfelder zur additiven Fertigung mit holzbasierten Materialien
Forschungsfeld Teilaspekte
Materialforschung ▪▪Forschung und Entwicklung neuer Materialien
▪▪Analyse von Materialeigenschaften
▪▪Weiterentwicklung bestehender Materialien
Produktforschung ▪▪Festlegung und Bestimmung von Konstruktions
regeln
▪▪Ermittlung von Bauteileigenschaften
▪▪Simulation von Bauteileigenschaften
Prozessentwicklung /-integration ▪▪Optimierung aller involvierten Prozessschritte
▪▪Erforschung der Prozessmöglichkeiten und -grenzen
▪▪Integration additiver Technologien in etablierte
Prozesse
▪▪Prozessneuentwicklungen
▪▪Verbesserung des Automatisierungsgrads
▪▪Weiterentwicklung der Nachbearbeitungs
schritte
▪▪Entwicklung von Slicersoftware
▪▪Entwicklung von Steuerungssoftware für Druck-
anlagen
▪▪Simulation der Prozessabläufe
Qualitätskontrolle und Standardisierung ▪▪Erarbeitung einheitlicher Zertifizierungen von
Prozessen und Produkten
▪▪Verbesserung additiv-fertigungsspezifischer
Qualitätsüberwachungen
▪▪Einführung der Standards in den Herstellungs
prozess
▪▪Erarbeitung von Prüfmethoden zur Erfassung
und Beschreibung additiver Prozesse und
Produkte
Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen ▪▪Ermittlung der Produktionskosten und der
Produktlebensdauer
▪▪Anwendung von Kostenmodellierungsmodellen
▪▪Basis für Entscheidung zwischen konventioneller
und additiver Fertigung
14Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
3 FORSCHUNGSINSTITUTE
In Kapitel 3 dieser Studie werden die For- Forschung in diversen Feldern betrieben
schungsinstitute bzw. Anwender der addi- wird. Dazu werden für jede Einrichtung
tiven Fertigung mit Holzwerkstoffen vor- deren Anwendungsperspektiven in Verbin-
gestellt. Dazu wird kurz die Einrichtung dung mit einer Auflistung bereits getätigter
mit deren Zielen für die additive Fertigung Forschungsprojekte, Vorträge bzw. Veröf-
beschrieben. Es wird ebenfalls gezeigt, mit fentlichungen aufgezeigt.
welchen Materialien und Gerätschaften
15Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
3.1 FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR HOLZFORSCHUNG,
WILHELM-KLAUDITZ-INSTITUT WKI
Kontakt Institutsbeschreibung
Dr. Claudia Schirp Das Fraunhofer WKI arbeitet anwen-
Bienroder Weg 54 E dungsorientiert eng mit Unternehmen
38108 Braunschweig der Holz- und Möbelindustrie sowie
Tel.: +49 531 2155 318 mit der Bauwirtschaft, der chemischen
claudia.schirp@wki.fraunhofer.de Industrie und der Automobilindustrie
zusammen. Die Forschungs- und Ent-
Forschungsziele wicklungsarbeiten dienen einer ressour-
ceneffizienteren Nutzung des Rohstoffs
▪▪Synthese neuer thermoplastischer
Biopolymere für die additive Fertigung Holz. Die Aktivitäten hinsichtlich der ad-
(FDM-Verfahren) ditiven Fertigung liegen im Bereich der
▪▪Verwendung von Cellulose und Ligno- Materialentwicklung, angefangen bei
cellulose bereits bei der Polymersyn- der Polymersynthese bis zur Verarbeitung
these für die Herstellung von thermo- zu Compounds und Filamenten.
plastischen Verbundmaterialien
▪▪Aufbereitung von verschiedenen ligno-
cellulosehaltigen Materialien für Ver-
bundmaterialien zur Anwendung in
der additiven Fertigung
▪▪Synthese von Reaktivharzen auf Basis
nachwachsender Rohstoffe für UV-här- Forschungsform
tende Verfahren wie DLP, SLA und Inkjet
■■Grundlagenforschung
■■Anwendungsnahe Forschung
■■Industrieforschung
Forschungsfelder
Materialforschung
5
4
3
Wirtscha-
lichkeitsunter-
2 Produkt-
suchungen
1
0
forschung Untersuchte 3D-Druck-Technologien
□□Bettbasierte Verfahren
■■Freiraumverfahren
Qualitäts- Prozess-
kontrolle entwicklung ■■Sprühverfahren
Berwertungsskala:
□□Schichtbauverfahren
0 - keine Akvität 3 - erhöhte Akvität ■■Polymerisationsverfahren
1 - geringe Akvität 4 - hohe Akvität
2 - milere Akvität 5 - intensive Akvität
16Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
Druckmaterialien
Aufbaumaterialien Verarbeitungsform von Holz Bindemittel
■■Holz ■■Mehl/Pulver ■■Thermoplast
□□Metall ■■Faserförmig ■■Duroplast
□□Keramik ■■Spanförmig (geplant) □□Zementwerkstoffe
■■Kunststoff □□Lagenförmig ■■Holzeigene Bindemittel
■■Holzbestandteile (Lignin/ □□Sonstige (geplant)
Cellulose) □□Holz wird nicht verarbeitet ■■Natürliche Bindemittel
□□Sonstige Materialien (Stärke, Protein,...) (geplant)
□□Sonstige
Ausstattung Anwendungsperspektiven
▪▪Syntheselabor inkl. Polymeranalytik ■■Automobil und Transport
▪▪Mechanische sowie thermomechanis- ■■Möbel- und Innenausbau
che Partikel- und Faserherstellung □□Sport- und Spielgeräte
▪▪Ermittlung der Partikel- und Faser □□Maschinenbau
geometrie □□Consumer und Schmuck
▪▪Compounder und Extruder zur Fila- □□Medizintechnik
mentherstellung □□Archäologie und Restauration
■■Bauwesen
Abgeschlossene und aktuelle Forschungsprojekte
▪▪ValBio 3D - Wertschöpfung von Reststoffen aus Biomasse zur Anwendung in neuar-
tigen 3D gedruckten Materialien, laufend, BMBF
▪▪IA-UV-3D – Neuartige Materialien für UV-härtende Materialien der additiven Ferti-
gung, laufend, BMBF
▪▪Synthese thermoplastischer Biopolymere, laufende Doktorarbeit, Eigenfinanzierung
Veröffentlichungen
▪▪Schirp, A.; Schirp, C.; Robert, T.: 3D-Druck: Generative Fertigung für Möbel, Design
und Architektur. 5. Innovationsworkshop Holzwerkstoffe, Interzum, Köln, 4.5.2015
▪▪Schirp, A.; Schirp, C.; Robert, T.: Entwicklung von biobasierten Materialien für den
3D-Druck. Fabmaker Expertenforum Braunschweig: Zukunftsvision 3D-Druck. 23.
März 2015, Technologiepark Braunschweig
17Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
3.2 FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR MIKROSTRUKTUR VON WERK-
STOFFEN UND SYSTEMEN IMWS
Kontakt Institutsbeschreibung
Dipl.-Phys. Andreas Krombholz Das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur
Walter-Hülse-Straße 1 von Werkstoffen und Systemen IMWS
06120 Halle ist ein methodisch ausgerichtetes Fraun-
Tel.: +49 345 5589 153 hofer-Institut in den Fachdisziplinen
andreas.krombholz@imws.fraunhofer.de Materialwissenschaft und Werkstofftech-
nik. Das Fraunhofer IMWS ist Ansprech-
Forschungsziele partner für die Industrie und öffentliche
Auftraggeber für alle Fragestellungen,
▪▪Mechanische Eigenschaften
die die Mikrostruktur von Werkstoffen
▪▪Bruchmechanik
▪▪Simulation und Systemen betreffen – mit dem Ziel,
▪▪Auslegung Materialeffizienz und Wirtschaftlichkeit
▪▪Nachhaltigkeit von Biowerkstoffen zu steigern und Ressourcen zu schonen.
Forschungsform
■■Grundlagenforschung
■■Anwendungsnahe Forschung
■■Industrieforschung
Forschungsfelder
Materialforschung
5
4
3
Wirtscha-
lichkeitsunter-
2 Produkt-
suchungen
1
0
forschung Untersuchte 3D-Druck-Technologien
■■Bettbasierte Verfahren
■■Freiraumverfahren
Qualitäts- Prozess-
kontrolle entwicklung □□Sprühverfahren
Berwertungsskala:
□□Schichtbauverfahren
0 - keine Akvität 3 - erhöhte Akvität □□Polymerisationsverfahren
1 - geringe Akvität 4 - hohe Akvität
2 - milere Akvität 5 - intensive Akvität
18Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
Druckmaterialien
Aufbaumaterialien Verarbeitungsform von Holz Bindemittel
■■Holz ■■Mehl/Pulver ■■Thermoplast
□□Metall ■■Faserförmig ■■Duroplast
□□Keramik ■■Spanförmig (geplant) ■■Zementwerkstoffe (ge-
■■Kunststoff □□Lagenförmig plant)
■■Holzbestandteile (Lignin/ ■■Sonstige ■■Holzeigene Bindemittel
Cellulose) ■■Holz wird nicht verarbeitet ■■Natürliche Bindemittel
■■Sonstige Materialien (Stärke, Protein,...)
■■Sonstige
Ausstattung Anwendungsperspektiven
▪▪Markforged – MarkOne 3D ■■Automobil und Transport
▪▪Flashforge – Finder 3D Drucker ■■Möbel- und Innenausbau
■■Sport- und Spielgeräte
■■Maschinenbau
■■Consumer und Schmuck
□□Medizintechnik
□□Archäologie und Restauration
■■Bauwesen
Abgeschlossene und aktuelle Forschungsprojekte
▪▪Prognose des Einsatzverhaltens 3D-gedruckter Bauteile mittels bruchmechanischer
Ansätze (18.04.2017 – 17.04.2020)
▪▪Entwicklung eines Systems zur automatischen Wiedergewinnung von Materialien
aus lasergesinterten topologisch komplexen Bauteilen (01.06.2016-30.11.2017)
Veröffentlichungen
▪▪Krombholz, A.: Werkstoffmechanische Charakterisierung von mittels Fused Filament
Fabrication hergestellten Strukturen, Präsentation auf Rapid.Tech – International
Trade Show & Conference for Additive Manufacturing Erfurt 2016. Proceedings
▪▪Schwan, S.; Theumer, T.; Petzold, W.; Menzel, M.; Krombholz, A.: Morphological
validation of specimens formed by Fused Filament Fabrication of Nylon (PA 6.6)
19Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
3.3 GEORG-AUGUST-UNIVERSITÄT GÖTTINGEN,
ABTEILUNG HOLZBIOLOGIE UND HOLZPRODUKTE
Kontakt Institutsbeschreibung
M. Sc. Kim Christian Krause Die Abteilungen Holzbiologie & Holz-
Büsgenweg 4 produkte sowie Holztechnologie & Holz-
37077 Göttingen chemie der Georg-August-Universität
Tel.: +49 551 9960 967 Göttingen unterstützen die wissen-
kim.krause@uni-goettingen.de schaftlichen und anwendungsorientier-
ten Forschungstätigkeiten der Holz- und
Forschungsziele Forstwissenschaften. Mit Grundlagen-,
Prozess- sowie Materialforschung leis-
▪▪Adaption vorhandener Druckverfahren
für die Herstellung biobasierter Werk- ten die Abteilungen - Schwerpunkte: Na-
stoffe nocellulose, Holzschutz, Holzwerkstoffe,
▪▪Additive Fertigung mit organischen Dauerhaftigkeit und Multidimensionale
Materialien Strukturanalyse - einen wichtigen Bei-
▪▪Modifikation von biologischen trag zur Entwicklung innovativer und
Gefügestrukturen für technische Werk- bio-inspirierter Materialkombinationen.
stoffe
Forschungsform
■■Grundlagenforschung
■■Anwendungsnahe Forschung
■■Industrieforschung
Forschungsfelder
Materialforschung
5
4
3
Wirtscha-
lichkeitsunter-
2 Produkt-
suchungen
1
0
forschung Untersuchte 3D-Druck-Technologien
■■Bettbasierte Verfahren
■■Freiraumverfahren
Qualitäts- Prozess-
kontrolle entwicklung □□Sprühverfahren
Berwertungsskala:
□□Schichtbauverfahren
0 - keine Akvität 3 - erhöhte Akvität □□Polymerisationsverfahren
1 - geringe Akvität 4 - hohe Akvität
2 - milere Akvität 5 - intensive Akvität
20Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
Druckmaterialien
Aufbaumaterialien Verarbeitungsform von Holz Bindemittel
■■Holz ■■Mehl/Pulver ■■Thermoplast
□□Metall ■■Faserförmig ■■Duroplast
□□Keramik (geplant) ■■Spanförmig ■■Zementwerkstoffe (ge-
■■Kunststoff ■■Lagenförmig (geplant) plant)
■■Holzbestandteile (Lignin/ □□Sonstige ■■Holzeigene Bindemittel
Cellulose) (geplant) □□Holz wird nicht verarbeitet ■■Natürliche Bindemittel
■■Sonstige Materialien (Stärke, Protein,...)
(geplant) □□Sonstige
Ausstattung Anwendungsperspektiven
▪▪Ultimaker 3 Dual Extrusion □□Automobil und Transport
▪▪Selektive Presse □□Möbel- und Innenausbau
□□Sport- und Spielgeräte
□□Maschinenbau
■■Consumer und Schmuck
□□Medizintechnik
□□Archäologie und Restauration
□□Bauwesen
Abgeschlossene und aktuelle Forschungsprojekte
▪▪keine Angaben
Veröffentlichungen
▪▪Wimmer, R.; Steyrer, B.; Schönhammer, S.; Woess, J.; Koddenberg, T.; Mundigler, N.:
Connecting Wood and 3D-Printing. Conference presentation presented at the 59 th
SWST International Convention, Curitiba, Brazil, 2016. Proceedings
▪▪Wimmer, R.; Steyrer, B.; Woess, J.; Koddenberg, T.; Mundigler, N.: 3D-Printing and
Wood. Wood Science and Engineering in the Third Millenium, 10; issued by: Transilva-
nia University; Transilvanis University of Brasov, Brasov Romania, 2015. Proceedings
21Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
3.4 INSTITUT FÜR HOLZTECHNOLOGIE DRESDEN
Kontakt Institutsbeschreibung
M. Sc. Henry Burkhardt Das IHD als ein unabhängiges, weltweit
Zellescher Weg 24 agierendes Forschungsinstitut unter-
01217 Dresden stützt in anwendungsorientierter For-
Tel.: +49 351 4662 291 schungs- und Entwicklungstätigkeit die
henry.burkhardt@ihd-dresden.de Holzwirtschaft und flankierende Bereiche.
Mit Prozess-, Material- und Bauteilent-
Forschungsziele wicklung für die additive Fertigung mit
organischen Materialien fördert das IHD
▪▪Additive Fertigung mit organischen
Materialien für die Holz- und Möbel die Anwendung neuer Materialverbunde
industrie und Technologien.
▪▪Adaption vorhandener Druckverfahren
für Anwendungen im Möbelbereich
▪▪Entwicklung neuer Druckstrategien
zum schnellen Drucken großvolumiger
Bauteile
▪▪Entwicklung neuer Druckmaterialien auf
Basis nachwachsender Rohstoffe
Forschungsform
■■Grundlagenforschung
■■Anwendungsnahe Forschung
□□Industrieforschung
Forschungsfelder
Materialforschung
5
4
3
Wirtscha-
lichkeitsunter-
2 Produkt-
suchungen
1
0
forschung Untersuchte 3D-Druck-Technologien
■■Bettbasierte Verfahren
■■Freiraumverfahren
Qualitäts- Prozess-
kontrolle entwicklung □□Sprühverfahren
Berwertungsskala:
■■Schichtbauverfahren
0 - keine Akvität 3 - erhöhte Akvität □□Polymerisationsverfahren
1 - geringe Akvität 4 - hohe Akvität
2 - milere Akvität 5 - intensive Akvität
22Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
Druckmaterialien
Aufbaumaterialien Verarbeitungsform von Holz Bindemittel
■■Holz ■■Mehl/Pulver ■■Thermoplast
□□Metall ■■Faserförmig □□Duroplast
□□Keramik □□Spanförmig □□Zementwerkstoffe
■■Kunststoff □□Lagenförmig □□Holzeigene Bindemittel
□□Holzbestandteile (Lignin/ □□Sonstige ■■Natürliche Bindemittel
Cellulose) □□Holz wird nicht verarbeitet (Stärke, Protein,...)
□□Sonstige Materialien □□Sonstige
Ausstattung Anwendungsperspektiven
▪▪German RepRap X400V3 □□Automobil und Transport
▪▪Eigenentwicklung Suspensionsdrucker ■■Möbel- und Innenausbau
▪▪Selektive Presse □□Sport- und Spielgeräte
□□Maschinenbau
□□Consumer und Schmuck
□□Medizintechnik
□□Archäologie und Restauration
■■Bauwesen
Abgeschlossene und aktuelle Forschungsprojekte
▪▪bioxXprint II – Der Bio-Schaum-Drucker für gradierte Strukturen, laufend, BMBF
▪▪3D-FeSy – Generative, integrale Federungssysteme für Polstermöbel, laufend, BMWi
▪▪BioConSupport – 3D-Druck von holzbasiertem Stützmaterial zur Integration in genera-
tive Betonfertigungsverfahren, laufend, BMEL
▪▪GeFeHolz+ - Entwicklung der stofflichen und technologischen Voraussetzungen für
die generative Fertigung mit Holz als Aufbaumaterial und einem Bindemittelanteil
von maximal 10 %, laufend, BMWi
Veröffentlichungen
▪▪Kaufhold, J.; Gauser, T.; Kuhnert, B.: Mechanical Properties of 3D-printed Wood-
Plastic-Composites depending on Process Parameters. 6th International Conference
on additive Technologies, Nürnberg 2016. Proceedings. ISBN 978-961-285-537-6
▪▪Gauser, T.: Generative Fertigung bei Polstermöbeln. Vortrag. 11. Internationale Möbel
tage, Dresden 2017
23Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
3.5 TECHNISCHE UNIVERSITÄT DRESDEN,
PROFESSUR FÜR FORSTNUTZUNG
Kontakt Institutsbeschreibung
Dr.-Ing. Michael Rosenthal Die Professur für Forstnutzung gehört zur
Pienner Str. 19 Fakultät Umweltwissenschaften der TU
01737 Tharandt Dresden. In Lehre und Forschung deckt sie
Tel.: +49 35203 3831 360 ein weites Gebiet um den Roh- und Werk-
rosenthal@forst.tu-dresden.de stoff Holz ab. Dieses untergliedert sich in
drei Arbeitsschwerpunkte: 1) Fragen der
Forschungsziele Rundholzqualität, -vermessung und -sor-
tierung sowie die Beziehung von Waldbau
▪▪FDM: Beziehung zwischen Drucktem-
peratur und physikalischen Eigen- und Rundholzqualität und die Kalamitäts-
schaften lagerung von Rundholz; 2) Dendrochrono-
▪▪Adaption des Liquid Deposition Model- logie und deren Anwendung im Bereich
ling (LDM) für holzbasierte Werkstoffe der Holzaltersbestimmung sowie dendro-
▪▪LDM: Verbesserung der physikalischen ökologischen als auch dendroklimatologi-
Eigenschaften der gedruckten Objekte schen Fragestellungen; 3) Holztechnolo-
▪▪LDM: Entwicklung von Maschinen- gie: Beziehung zwischen ultrastrukturellen
lösungen für den Druck großformatiger
Bauteile und physikalischen Eigenschaften von Höl-
zern und Holzwerkstoffen und Entwick-
lung neuer additiver Fertigungsverfahren
für holzbasierte Materialen.
Forschungsform
■■Grundlagenforschung
■■Anwendungsnahe Forschung
Forschungsfelder □□Industrieforschung
Materialforschung
5
4
3
Wirtscha-
lichkeitsunter-
2 Produkt-
suchungen
1
0
forschung Untersuchte 3D-Druck-Technologien
□□Bettbasierte Verfahren
■■Freiraumverfahren
Qualitäts- Prozess-
kontrolle entwicklung □□Sprühverfahren
Berwertungsskala:
□□Schichtbauverfahren
0 - keine Akvität 3 - erhöhte Akvität □□Polymerisationsverfahren
1 - geringe Akvität 4 - hohe Akvität
2 - milere Akvität 5 - intensive Akvität
24Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
Druckmaterialien
Aufbaumaterialien Verarbeitungsform von Holz Bindemittel
■■Holz ■■Mehl/Pulver ■■Thermoplast
□□Metall ■■Faserförmig □□Duroplast
□□Keramik ■■Spanförmig ■■Zementwerkstoffe
■■Kunststoff □□Lagenförmig □□Holzeigene Bindemittel
■■Holzbestandteile (Lignin/ ■■Sonstige (holzgefülltes ■■Natürliche Bindemittel
Cellulose) Filament) (Stärke, Protein,...)
□□Sonstige Materialien □□Holz wird nicht verarbeitet □□Sonstige
Ausstattung Anwendungsperspektiven
▪▪Zwei kartesische 3D-Desktop-Drucker □□Automobil und Transport
▪▪FDM- und LDM-Extruder, z.T. Eigenent- ■■Möbel- und Innenausbau
wicklungen □□Sport- und Spielgeräte
■■Maschinenbau
■■Consumer und Schmuck
□□Medizintechnik
□□Archäologie und Restauration
■■Bauwesen
Abgeschlossene und aktuelle Forschungsprojekte
▪▪WOO‐3D - Computergestützte Fertigung mit innovativen Polymer‐Verbundwerkstoffen,
laufend, BMBF
Veröffentlichungen
▪▪Rosenthal M.; Henneberger, C.; Guttkes, A.; Bues, C.-T.: Liquid Deposition Modelling - a
promising approach for 3D printing of wood. Eur. J. Wood Prod. 76(2018)(2), S. 797-799.
25Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
3.6 TECHNISCHE UNIVERSITÄT DRESDEN,
PROFESSUR FÜR HOLZTECHNIK UND FASERWERKSTOFFTECHNIK
Kontakt Institutsbeschreibung
Dipl.-Ing. Holger Unbehaun Die Professur für Holztechnik und Fa-
Marschnerstraße 39 serwerkstofftechnik, einschließlich der
01307 Dresden Arbeitsgruppe Papiertechnik, lehrt und
Tel.: +49 351 4633 8109 forscht unter der Leitung von Professor
holger.unbehaun@tu-dresden.de André Wagenführ auf dem Gebiet der
Werkstoffentwicklung und -verarbeitung.
Forschungsziele Dabei stehen Werkstoffe auf lignocellulo-
ser Basis sowie aus anderen Naturfasern
▪▪Nutzung diverser lignocelluloser Rest-
stoffe in additiver Fertigung im Mittelpunkt der Forschung und Ent-
▪▪Entwicklung von Lösungen zum Hy- wicklung aber auch der Lehre. Neben
brid-/Mehrkomponentendruck relevanten Themen zur Gestaltung und
▪▪Entwicklung und Herstellung eigener Herstellung von unterschiedlich struktu-
biobasierter Filamente rierten Werkstoffen werden auch techno-
▪▪Verbesserung der Material- und logische Aspekte der Weiterverarbeitung
Bauteileigenschaften
und des Anlagen- und Maschinenbaus bis
hin zur Werkzeugentwicklung untersucht.
Einen Schwerpunkt bildet die Vergütung
von bereits existierenden Werkstoffen,
wie bspw. natives Holz, zur anwendungs-
bezogenen Eigenschaftsveränderung.
Forschungsform
■■Grundlagenforschung
Forschungsfelder ■■Anwendungsnahe Forschung
□□Industrieforschung
Materialforschung
5
4
3
Wirtscha-
lichkeitsunter-
2 Produkt-
suchungen
1
0
forschung Untersuchte 3D-Druck-Technologien
■■Bettbasierte Verfahren
■■Freiraumverfahren
Qualitäts- Prozess-
kontrolle entwicklung □□Sprühverfahren
Berwertungsskala:
■■Schichtbauverfahren
0 - keine Akvität 3 - erhöhte Akvität □□Polymerisationsverfahren
1 - geringe Akvität 4 - hohe Akvität
2 - milere Akvität 5 - intensive Akvität
26Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
Druckmaterialien
Aufbaumaterialien Verarbeitungsform von Holz Bindemittel
■■Holz ■■Mehl/Pulver ■■Thermoplast
□□Metall ■■Faserförmig □□Duroplast
□□Keramik □□Spanförmig □□Zementwerkstoffe
■■Kunststoff ■■Lagenförmig ■■Holzeigene Bindemittel
■■Holzbestandteile (Lignin/ □□Sonstige □□Natürliche Bindemittel
Cellulose) □□Holz wird nicht verarbeitet (Stärke, Protein,...)
■■Sonstige Materialien □□Sonstige
Ausstattung Anwendungsperspektiven
▪▪Ultimaker 3 Dual Extrusion □□Automobil und Transport
▪▪Mechanische sowie thermomecha- ■■Möbel- und Innenausbau
nische Partikel- und Faserherstellung □□Sport- und Spielgeräte
▪▪Ermittlung der Partikel- und Fasergeo ■■Maschinenbau
metrie ■■Consumer und Schmuck
▪▪Compounder und Extruder zur Fila- □□Medizintechnik
mentherstellung □□Archäologie und Restauration
□□Bauwesen
Abgeschlossene und aktuelle Forschungsprojekte
▪▪SLS und Vakuumguss mit Biopolymeren, abgeschlossen 2017, AIF-ZIM
Veröffentlichungen
▪▪Siwek, S.; Unbehaun, H.; Röwe, A.: 3D-Druck mit holzgefüllten Biopolymeren; Holz-
zentralblatt Nr. 48, S. 1197, 02.12.2016
▪▪Siwek, S.; Unbehaun, H.; Röwe, A.; Wagenführ, A.: Generative Fertigung unter Ein-
satz von Holzmehl, 12. Holzwerkstoffkolloquium IHD, Dresden, 14. und 15.12.2017,
Vortrag und Tagungsband
▪▪Unbehaun, H.; Einer, D.; Röwe, A.; Siwek, S.; Wagenführ, A.,: Potentiale und aus-
gewählte Beispiele zum Einsatz von Bio-Compositen in Generativen Fertigungsver-
fahren und Folgeverfahren, 18. Holztechnologisches Kolloquium TU Dresden, 12.
und 13.04.2018, Vortrag und Tagungsband
▪▪Röwe, A.; Krause, M.; Unbehaun, H.; Einer, D.: Prototypenfertigung im selektiven
Lasersinterverfahren unter Einsatz von Biopolymeren, 18. Holztechnologisches Kol-
loquium TU Dresden, 12. und 13.04.2018, Vortrag und Tagungsband
27Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
3.7 TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN, LEHRSTUHL FÜR HOLZ-
BAU UND BAUKONSTRUKTION
Kontakt Institutsbeschreibung
Dr.-Ing. Klaudius Henke Der Lehrstuhl für Holzbau und Baukons-
Arcisstraße 21 truktion (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Stefan Win-
80333 München ter), Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt,
Tel.: +4989 2892 2509 Technische Universität München, nimmt
henke@tum.de Lehraufgaben u. a. in den Studiengängen
Bauingenieur- und Umweltingenieur
Forschungsziele wesen wahr. In der Forschung liegen die
Schwerpunkte in den Bereichen Ingeni-
▪▪Additive Fertigung großformatiger
Bauteile für Anwendungen im Bau- eurholzbau, Brandschutz und Baukon
wesen struktion. Seit 2010 wird im Rahmen von
▪▪Additive Fertigung unter Einsatz studentischen Abschlussarbeiten und
nachwachsender Rohstoffe mehreren öffentlich geförderten For-
▪▪Verbesserung der Material- und schungsprojekten am Thema additive
Bauteileigenschaften Fertigung im Bauwesen – unter anderem
▪▪Beschleunigung der additiven Ferti- unter Einsatz von Holz – gearbeitet.
gungsprozesse
Forschungsform
■■Grundlagenforschung
■■Anwendungsnahe Forschung
□□Industrieforschung
Forschungsfelder
Materialforschung
5
4
3
Wirtscha-
lichkeitsunter-
2 Produkt-
suchungen
1
0
forschung Untersuchte 3D-Druck-Technologien
■■Bettbasierte Verfahren
■■Freiraumverfahren
Qualitäts- Prozess-
kontrolle entwicklung □□Sprühverfahren
Berwertungsskala:
□□Schichtbauverfahren
0 - keine Akvität 3 - erhöhte Akvität ■■Polymerisationsverfahren
1 - geringe Akvität 4 - hohe Akvität
2 - milere Akvität 5 - intensive Akvität
28Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
Druckmaterialien
Aufbaumaterialien Verarbeitungsform von Holz Bindemittel
■■Holz □□Mehl/Pulver □□Thermoplast
□□Metall □□Faserförmig □□Duroplast
□□Keramik ■■Spanförmig ■■Zementwerkstoffe
■■Kunststoff □□Lagenförmig □□Holzeigene Bindemittel
□□Holzbestandteile (Lignin/ □□Sonstige ■■Natürliche Bindemittel
Cellulose) □□Holz wird nicht verarbeitet (Stärke, Protein,...)
■■Sonstige Materialien ■■Sonstige
(Zement, mineralische
Gesteinskörnung)
Ausstattung Anwendungsperspektiven
▪▪Experimenteller Extruder für Holz □□Automobil und Transport
leichtbeton (Eigenentwicklung) □□Möbel- und Innenausbau
▪▪Portalsystem und Industrieroboter □□Sport- und Spielgeräte
▪▪Zwei verschiedene Partikelbettdrucker □□Maschinenbau
▪▪Ultimaker 2+, FDM-Verfahren □□Consumer und Schmuck
▪▪Formlabs form 1+, SL-Verfahren □□Medizintechnik
□□Archäologie und Restauration
■■Bauwesen
Abgeschlossene und aktuelle Forschungsprojekte
▪▪Additive Fertigung durch Extrusion von Holzleichtbeton, abgeschlossen 2016, BMUB
Veröffentlichungen
▪▪Henke, K.; Treml, S.: Wood based bulk material in 3D printing processes for applica-
tions in construction. In: European Journal of Wood and Wood Products. Berlin,
Heidelberg: Springer, January 2013, Volume 71, Issue 1, pp 139-141
▪▪Henke, K.; Talke, D.; Winter, S. (2016): Additive Manufacturing of Building Elements
by Extrusion of Wood Concrete. In: Proceedings of the World Conference on Timber
Engineering WCTE 2016, Wien (Austria), August 2016
▪▪Henke, K.: Additive Baufertigung durch Extrusion von Holzleichtbeton. Dissertation an
der Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt, Technische Universität München. August 2016
29Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
4 FORSCHUNGS-ROADMAP
Die Forschungs-Roadmap zeigt aus Exper- sche Produkt- und Technologieplanung im
tensicht, welche wichtigen Schwerpunkte Feld der additiven Fertigung dar.
sich zukünftig im Bereich der additiven Die den folgenden Übersichten (Tabelle 10
Fertigung mit holzbasierten Materialien bis Tabelle 12) zu Grunde liegende Bewer-
für die Forschung ergeben. Die Roadmap tungsmatrix zeigt Tabelle 9.
stellt somit ein Werkzeug für die strategi-
Tabelle 9: Bewertungsmatrix
5 - hoher Bedarf 4 - erhöhter Bedarf 3 - mittlerer Bedarf 2 - geringer Bedarf 1 - kein Bedarf
Die Ergebnisse der Antworten der betei- und dementsprechend in die folgenden
ligten Umfrageteilnehmer wurden für die Übersichten eingetragen.
folgenden Übersichten 4.1 bis 4.3 gemittelt
4.1 FORSCHUNGSPOTENZIAL HINSICHTLICH DER 3D-DRUCK-TECH-
NOLOGIE
Tabelle 10: Forschungsbedarf hinsichtlich der 3D-Druck-Technologie
und Standardisierung
Wirtschaftlichkeits
Prozessentwicklung
Materialforschung
Qualitätskontrolle
Produktforschung
untersuchungen
3D-Druck-Technologie
Bettbasierte Verfahren 4 4 4 4 4
Freiraumverfahren 4 4 4 4 4
Sprühverfahren 3 3 3 3 3
Layerverfahren 3 3 4 3 3
Polymerisationsverfahren 3 3 4 3 4
30Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
4.2 FORSCHUNGSPOTENZIAL HINSICHTLICH DER HOLZBASIERTEN
MATERIALIEN
Tabelle 11: Forschungsbedarf hinsichtlich der holzbasierten Materialien
Prozessentwicklung
Wirtschaftlichkeits
Materialforschung
Qualitätskontrolle
Produktforschung
und Standardisie
untersuchungen
rung
Materialien
Lignin 4 4 4 4 4
Cellulose 4 4 4 4 4
Polymere auf Basis
5 5 5 4 5
von Holzbestandteilen
Holzmehle 5 5 4 5 4
Holzspäne 3 3 3 3 3
Lagenförmige Holz
4 4 4 4 4
werkstoffe
4.3 FORSCHUNGSPOTENZIAL HINSICHTLICH DER ANWENDUNGS-
FELDER
Tabelle 12: Forschungsbedarf hinsichtlich der Anwendungsfelder
Qualitätskontrolle und
Wirtschaftlichkeitsun
Prozessentwicklung
Materialforschung
Produktforschung
Standardisierung
tersuchungen
Anwendungsfelder
Archäologie und Restau
2 2 2 2 2
ration
Automotive und Transport 4 4 4 4 4
Bauwesen 4 3 4 4 3
Consumer- und Schmuck
4 4 3 3 3
objekte
Maschinenbau 3 2 3 3 2
Medizintechnik 3 3 2 4 2
Möbel- und Innenausbau 4 4 4 4 4
Sport- und Spielgeräte 2 2 2 2 2
31Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
4.4 AUSWERTUNG DER FORSCHUNGS-ROADMAP
Die Auswertung der Forschungs-Roadmap sich aus den diversen holzbasierten Ma-
zeigt, dass bettbasierte und Freiraum- terialien vielfältige Anwendungsperspekti-
verfahren als die zukunftsträchtigen Ver- ven im 3D-Druck. Es gibt kein holzbasiertes
fahren für die additive Verarbeitung von Vorzugsmaterial, mit dem ausschließlich
Holz angesehen werden. Sprühverfahren, generativ gefertigt werden kann.
Layerverfahren oder Polymerisationsver- Das größte Potential der generativen Fer-
fahren werden aus Expertensicht in naher tigung mit Holz wird insbesondere in den
Zukunft eine untergeordnete Rolle spielen. Bereichen Automotive und Transport und
Dabei wird sowohl materialseitig als auch Möbel- und Innenausbau gesehen. Zu-
prozessseitig ein hoher Forschungsbedarf sätzlich zeigen die Felder Bauwesen und
vorhergesagt. Im Hinblick auf die Wirt- Consumer- und Schmuckobjekte ein hohes
schaftlichkeit und die Qualitätskontrolle künftiges Anwendungspotential. Archäologie
der Produkte wird ebenfalls künftig viel und Restauration, Maschinenbau, Medizin-
geforscht. technik und Sport- und Spielgeräte werden
Künftig werden auf Seite der Materialfor- nach der Meinung der Umfrageteilnehmer
schung vor allem Holzmehle und Polymere eine untergeordnete Rolle spielen.
auf Basis von Holzbestandteilen als am bes- Aus den Antworten der Teilnehmer ist
ten geeignet eingeschätzt. Lignin, Cellulose eine generelle Eignung von holzbasierten
und lagenförmige Holzwerkstoffe werden Materialien im Feld der additiven Ferti-
dahingegen mit geminderter Bedeutung, gung zu erkennen. Allerdings ist ein hoher
aber ebenfalls mit Potential hinsichtlich Forschungsbedarf für eine großflächige
der Verwendung im Feld der generativen Anwendung notwendig. Die bevorzugten
Fertigung eingeschätzt. Die Verwendung Anwendungsfelder Automotive und Trans-
von Holzspänen wird im 3D-Druck nach port, Bauwesen und Möbel- und Innenaus-
Expertenmeinung im Hinblick auf die ge- bau lassen darauf schließen, dass in den
eignetsten Verfahren (Freiraum- und bett- holzwerkstofftypischen Anwendungsge-
basierte Verfahren) künftig eine unterge- bieten weiterhin Holz, aber mit neuen Ver-
ordnete Rolle spielen. Allgemein ergeben fahren verwendet werden wird.
32Additive Fertigung mit holzbasierten Materialien
5 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
Die Kurzstudie „Additive Fertigung mit Metallen mit Holzwerkstoffen zur An-
holzbasierten Materialien“ zeigt vorran- wendung kommen kann. So werden die
gig die in diesem Bereich tätigen Akteure Vorteile des 3D-Drucks künftig auch mit
in Deutschland und deren Schwerpunkte Holzwerkstoffen umsetzbar sein. Neben
hinsichtlich der Forschungsziele und For- der spürbaren Verringerung der Entwick-
schungsschwerpunkte. Nach der Einfüh- lungs- und Produktionskosten werden die
rung wird ein Überblick über die additive Herstellungskosten und -zeit reduziert.
Fertigung gegeben. Zudem werden die Komplexe, aber individuelle Bauteile kön-
für die Fertigung relevanten holzbasierten nen so in Kleinserien auf Holzwerkstoffba-
Materialien vorgestellt und mögliche Matrix- sis gefertigt werden. Die Verwendung von
materialien erläutert. Weiterhin werden die Holz in Verbindung mit additiver Fertigung
Anwendungs- und Forschungsbereiche trägt zu einer ohnehin schon hohen Nach-
aufgeführt, die in der Umfrage behandelt haltigkeit bei. Zusätzliche bisher nicht mit
wurden. Holzwerkstoffen umsetzbare Leichtbau-
Diese Kurzstudie zeigt, dass additive Fer- strukturen können ebenfalls realisiert und
tigung auch abseits von Kunststoffen bzw. mit weniger Abfall gefertigt werden.
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