Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWSKontinuierlich faserverstärkte Filamente aus Biopolymeren und regionalen Naturfasern sollen den 3D-Druck belastbarer, nachhaltiger und wirtschaftlicher machen. Im Verbundvorhaben BioFiberFilament arbeitet das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle (Saale) gemeinsam mit Partnern daran, hochleistungsfähige Filamente für anspruchsvolle Anwendungen zu entwickeln – zunächst mit Blick auf die Orthetik, perspektivisch auch für Medizintechnik, Mobilität, Sport und Möbelindustrie.
In additiven Fertigungsverfahren stoßen bisher verfügbare Filamentmaterialien in technisch anspruchsvollen Anwendungen oft an Grenzen. Auch biobasierte Alternativen mit hoher mechanischer Leistungsfähigkeit sind bislang kaum am Markt verfügbar. Das Fraunhofer IMWS, die FUSE GmbH aus Zwenkau und die Sanitätshaus-Orthopädie-Technik F. Hellwig GmbH aus Halle (Saale) wollen deshalb gemeinsam kontinuierlich faserverstärkte Bio-Filamente entwickeln, die aus regionalen Naturfasern hergestellt werden und für den Einsatz in hochbelastbaren Bauteilen geeignet sind.
Sie setzen auf ein Materialsystem, das Hochleistungs-Biopolymere – etwa biobasierte oder biologisch abbaubare Polymere wie Bio-Polyamide oder Polymilchsäuren (PLA) – mit quasi-endlosen Naturfasern aus regional verfügbaren Rohstoffen wie Hanf oder Flachs kombiniert.
»Durch das Zusammenführen von Naturfasern und Biopolymeren soll ein industriell nutzbares Filament entstehen, das mechanische Belastbarkeit, Ressourceneffizienz und regionale Wertschöpfung vereint«, sagt Dr.-Ing. Patrick Hirsch, Projektleiter am Fraunhofer IMWS. »Für Unternehmen ist das ein wichtiger Schritt, um Nachhaltigkeit und technische Performance nicht länger als Gegensatz zu betrachten.«
Ausgangspunkt ist ein vorimprägniertes unidirektionales Faserverbund-Halbzeug (UD-Tape). Dieses soll zunächst mit einer kontinuierlichen Imprägniertechnologie hergestellt werden und dabei einen hohen Faservolumenanteil von über 40 Prozent erreichen. Anschließend wird es zu Tapes mit geringer Breite beschnitten und schließlich in einem kontinuierlichen Umformprozess zu einem Filament mit einem Durchmesser von maximal 1,75 Millimetern verarbeitet. Die kontinuierliche Faserverstärkung verspricht ein deutlich höheres mechanisches Leistungsniveau als bei klassischen kurzfasergefüllten Filamenten. Zudem sind Hochleistungsfilamente mit kontinuierlicher Verstärkung bislang vor allem mit kostenintensiven Carbon- oder Glasfasern verfügbar. Eine biobasierte Alternative könnte Materialkosten reduzieren.
Ein weiteres zentrales Projektziel: Das neue Bio-Material soll auf kommerziell verfügbaren Filament-3D-Druckern für endlosfaserverstärkte Polymere einsetzbar sein, damit ein realistischer Einsatz in industriellen Anwendungen möglich wird. Als Demonstrator dient ein Prothesenschaft. Diese Anwendung ist technisch besonders relevant, weil sie hohe Anforderungen an Festigkeit, Steifigkeit, Gewicht und Individualisierbarkeit stellt. Gleichzeitig lassen sich hier die Vorteile additiver Fertigung – etwa patientenspezifische Geometrien – besonders gut zeigen.
Das Fraunhofer IMWS übernimmt im Projekt eine zentrale Rolle bei der material- und prozessseitigen Bewertung der entwickelten Lösungen. Dazu gehören insbesondere die Untersuchung des Imprägnierverhaltens naturfaserverstärkter Halbzeuge, die Analyse der Umformbarkeit zu druckfähigen Filamenten sowie die Bewertung der Verarbeitbarkeit in bestehenden 3D-Drucksystemen. Darüber hinaus bringt das Institut seine Expertise in der Mikrostrukturcharakterisierung, in der Zusammenhangsanalyse zwischen Werkstoffstruktur und mechanischen Eigenschaften sowie in der Bewertung des Einsatzverhaltens in medizintechnischen Anwendungen ein.
»Am Fraunhofer IMWS betrachten wir das Material nicht isoliert, sondern entlang der gesamten Prozesskette – vom Halbzeug über das Filament bis zum gedruckten Bauteil«, sagt Patrick Hirsch. »Genau dieses Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Faser, Matrix, Grenzfläche, Herstellungsprozess und späterem Bauteilverhalten ist notwendig, damit aus einer nachhaltigen Werkstoffidee eine robuste industrielle Lösung wird.«
Perspektivisch sind Anwendungen in der Medizintechnik, in der Sportgeräteindustrie, im Möbel- und Interior-Bereich, in Haushaltsanwendungen sowie in der Fahrzeugindustrie denkbar. Überall dort, wo leichte, belastbare und individualisierbare Bauteile benötigt werden, kann das entwickelte Materialsystem neue Optionen eröffnen.
Das Projekt wird im Rahmen des Programms »WIR! – Wandel durch Innovation in der Region« vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrtgefördert.
(20. Juli 2026)