Was ist PHA, und könnte es das nachhaltigste Material für den 3D-Druck sein?

Ich glaube, dass diese Art von Material für die 3D-Druck-Community unglaublich wichtig ist. Ein Grund: Um komplexe Objekte zu drucken, brauchen wir oft Stützstrukturen, und all dieses Material landet am Ende im Müll, genauso wie Brims, Testdrucke und Fehldrucke.

Viele beschäftigen sich mit Recycling: alte Drucke schreddern und daraus neues Filament extrudieren. Doch dieser Prozess steckt voller Herausforderungen und ist nicht so einfach, wie er klingt. Selbst wenn er funktioniert, erfordert er eine Investition, die für ein großes Studio vielleicht in Ordnung ist. Für einen kleinen Creator mit nur einem Drucker rechnet sich das oft nicht.

Deshalb interessiert mich PHA so sehr. Es ist zu 100 % biobasiert und in fast jeder natürlichen Umgebung biologisch abbaubar. Aber bevor wir tiefer einsteigen, werfen wir einen Blick auf das beliebteste Material in unserer Community: PLA.

PLA braucht die Wärme einer industriellen Kompostieranlage, etwa 50–65 °C, um sich innerhalb von Wochen zu zersetzen. Im Boden kann derselbe Prozess Jahre dauern, und Studien in Meerwasser haben wenig bis gar keinen Abbau festgestellt (Catarci Carteny & Blust, 2021).

PLA ist zwar biobasiert, aber nur in industriellen Kompostieranlagen wirklich biologisch abbaubar. Es gibt wenig Forschung, die belegt, dass es sich in der Natur schnell abbaut; wahrscheinlich bleibt es sehr lange in der Umwelt. Und in vielen Regionen fehlen ohnehin die Sammelsysteme oder die Infrastruktur zur Kompostierung, um es zu verarbeiten.

„Biobasiert“ sagt dir, woher ein Material kommt. „Biologisch abbaubar“ sagt dir, wo es am Ende seiner Lebensdauer landen kann. PLA ist Ersteres, aber nur zum Teil Letzteres.

Anders als herkömmliche Kunststoffe aus fossilen Rohstoffen entsteht PHA durch einen natürlichen Fermentationsprozess.

Ich halte PHA für ein weit besseres Material als PLA, sowohl bei den Eigenschaften als auch bei der Nachhaltigkeit. Warum, zeigt ein Blick darauf, wie es hergestellt wird.

Hersteller füttern Mikroorganismen wie Bakterien mit natürlichen Zuckern und Ölen, und die Bakterien speichern PHA in ihren Zellen als Energiereserve. Das funktioniert fast wie „Bakterienfett“, so beschreibt es colorFabb. Dieses PHA wird anschließend extrahiert und zu Granulat und Filament verarbeitet.

Da PHA zu 100 % natürlich ist, handelt es sich um ein wirklich kreislauffähiges Material:

1. 1Pflanzen liefern Zucker und Öle.
2. 2Bakterien wandeln sie in PHA um und speichern es in ihren Zellen.
3. 3Das PHA wird extrahiert und zu Filament verarbeitet.
4. 4Wir drucken ein Produkt und nutzen es.
5. 5Am Ende seiner Lebensdauer fressen Mikroorganismen das PHA wieder und bauen es zu CO₂ und Wasser ab.
6. 6Pflanzen nehmen dieses CO₂ auf, und der Kreislauf beginnt von vorn.

Wenn du ein Produkt nicht mehr brauchst, können Mikroorganismen es wieder fressen und dabei zu CO₂, Wasser und Biomasse abbauen. Laut colorFabb geschieht das bei allPHA, ohne Mikroplastik zu hinterlassen.

Das passiert allerdings nicht über Nacht. Wie schnell es geht, hängt von der Dicke des Teils, der Temperatur, der Feuchtigkeit und der mikrobiellen Aktivität ab. Eine Metastudie zu Untersuchungen im Meer schätzte, dass eine Wasserflasche aus PHA dort 1,5 bis 3,5 Jahre braucht, bis sie vollständig biologisch abgebaut ist (Dilkes-Hoffman et al., 2019). Kaltes Wasser bremst den Abbau: In einem sechsmonatigen Test, der ein Meer der gemäßigten Breiten simulierte, zeigten PHA-Folien nur erste Verwitterungsspuren (Catarci Carteny & Blust, 2021).

Für mich ist das der eigentliche Vorteil: Wenn ein PHA-Teil in der Natur landet, kann es tatsächlich in die Natur zurückkehren. Das ist kein Freibrief, Drucke wegzuwerfen, aber im schlimmsten Fall steht es weit besser da als PLA.

Diesen Lampenschirm habe ich mit allPHA von colorFabb gedruckt. Das Drucken ist nicht so einfach wie mit PLA. Das Material neigt während des Drucks zu Warping (Verzug), deshalb sind ein Brim und Kleber für eine gute Betthaftung notwendig.

Ein weiterer großer Unterschied: Du brauchst kein Heizbett. Ich stelle die Betttemperatur auf 0 °C, was einfach bedeutet, dass die Heizung ausgeschaltet bleibt. Das klingt seltsam, ist aber genau das, was PHA braucht: Eine beheizte Platte löst in den ersten Schichten Kristallisation aus, und das führt zu Warping. Netter Nebeneffekt: Ein kaltes Druckbett spart bei jedem Druck Energie.

Außerdem ist die Druckgeschwindigkeit viel niedriger als bei PLA. Um das auszugleichen, habe ich für diesen Lampenschirm eine 0,8-mm-Düse verwendet. Eine breitere Düse legt mit jeder Bahn mehr Material ab, sodass der Druck auch bei niedriger Geschwindigkeit schneller fertig ist.

Empfohlene Druckeinstellungen für PHA

• Düsentemperatur

  Startwert

  190–200 °C

  Hinweise

  In der Mitte des Bereichs starten und an dein Hotend anpassen

• Betttemperatur

  Startwert

  Kalt, Heizung aus

  Hinweise

  Ein beheiztes Bett löst Kristallisation aus, und die ersten Schichten verziehen sich

• Betthaftung

  Startwert

  Haftmittel (3DLac-Spray oder verdünnter Holzleim) und ein Brim

  Hinweise

  colorFabb nutzt etwa 20 Brim-Linien, damit sich die Ecken nicht lösen

• Bauteillüfter

  Startwert

  100 %, ab Schicht 2 oder 3

  Hinweise

  Schnelle Wärmeabfuhr hält die Kristallisation unter Kontrolle

• Druckgeschwindigkeit

  Startwert

  40–80 mm/s

  Hinweise

  Viel langsamer als PLA; eine 0,8-mm-Düse hilft, die Zeit wieder aufzuholen

• Retraction (Rückzug)

  Startwert

  Etwas geringer als bei PLA

  Hinweise

  Kleine Lücken in der Außenwand bedeuten, dass die Retraction zu hoch ist

• Trocknen

  Startwert

  Nicht nötig

  Hinweise

  PHA nimmt nicht viel Wasser auf

Startwerte aus den allPHA-Druckeinstellungen und dem technischen Datenblatt von colorFabb. Stimm sie fein auf deinen Drucker ab.

Auch wenn der Druck etwas knifflig ist, sehe ich in diesem Material großes Potenzial. Es ist sehr zäh und hält Temperaturen von über 120 °C stand, ohne sich zu verformen. Das Datenblatt von colorFabb nennt für allPHA eine Wärmeformbeständigkeit (HDT) von 153 °C, und der Hersteller berichtet von einer hervorragenden Schichthaftung.

Bei Lampen macht das einen großen Unterschied. PLA beginnt bei etwa 44–60 °C zu erweichen, daher bietet dir PHA in der Nähe einer Lichtquelle deutlich mehr Spielraum. Egal, mit welchem Material du druckst: Verwende ein LED-Leuchtmittel, denn es wird viel weniger heiß als Halogen- oder Glühlampen.

• Rohstoff

  PHA (colorFabb allPHA)

  Zucker und Öle, von Bakterien fermentiert; zu 100 % biobasiert

  PLA

  Fermentierter Pflanzenzucker, etwa aus Mais; biobasiert

• Wo es sich abbaut

  PHA (colorFabb allPHA)

  Im Boden, in Süßwasser und im Meer

  PLA

  Nur in industriellen Kompostieranlagen, bei etwa 50–65 °C

• Abbaudauer

  PHA (colorFabb allPHA)

  Monate bis wenige Jahre; etwa 1,5–3,5 Jahre für eine Flasche im Meer

  PLA

  Wochen in industriellem Kompost; Jahre oder länger in der Natur

• Hitzebeständigkeit

  PHA (colorFabb allPHA)

  Formstabil über 120 °C (HDT 153 °C)

  PLA

  Wird bei etwa 44–60 °C weich

• Druckbett

  PHA (colorFabb allPHA)

  Kalt, Heizung aus

  PLA

  Beheizt

• Druckgeschwindigkeit

  PHA (colorFabb allPHA)

  40–80 mm/s

  PLA

  Auf modernen Druckern viel schneller

• Druckbarkeit

  PHA (colorFabb allPHA)

  Schwieriger: verzieht sich, braucht Kleber und einen Brim

  PLA

  Einfach und gutmütig

Es ist zu 100 % biobasiert und kann sich, anders als PLA, im Boden, in Süßwasser und im Meer abbauen.

Die Nachteile sind nicht zu leugnen. Es druckt sich langsamer und ist zickiger, und die Herstellung ist teurer als bei PLA (Catarci Carteny & Blust, 2021). Aber für ein Stück wie eine Lampe, die du einmal druckst und dann jahrelang behältst, lohnt sich dieser Kompromiss meiner Meinung nach.

Wenn du diese Lampe 3D-drucken möchtest, bekommst du die Dateien auf e-leora.com. Jedes Design der Leora-Bibliothek gibt es als STL-, OBJ- und 3MF-Datei. Die 3MF-Projekte lassen sich direkt in Bambu Studio und OrcaSlicer öffnen, und zu jedem Modell gibt es eine ausführliche Druckanleitung. Optional gibt es auch eine kommerzielle Lizenz, mit der du deine Lampen drucken und verkaufen darfst (Lizenzen ansehen).

Erzähl mir, was du von PHA hältst und was du sonst noch über den 3D-Druck lernen möchtest! Hinterlass einen Kommentar unter dem Video oder schreib uns eine Nachricht.