1. Einleitung

„Mushrooms will save the World“, so die Worte des US Autors und Mycologen Paul Stamets. Nicht zuletzt aufgrund der vielen gesundheitsfördernden Eigenschaften, sondern auch durch Luft und Boden reinigende Fähigkeiten. Fähigkeiten, Schadstoffe zu filtern und abzubauen und Nährstoffe für Insekten und Mikroorganismen zu liefern und somit die Entwicklung von Pflanzen und Umwelt nachhaltig zu fördern. Aus diesem Grund haben wir uns in dem Kurzprojekt „Print a home for your fungus“ mit diesen wichtigen Lebewesen beschäftigt. 

Nichtsdestotrotz haben wir ein größeres Augenmerk auf die Gestaltung und Herstellung des richtigen Materials eines abbaubaren Materials und dessen Verarbeitung gelegt, denn - so argumentiert die amerikanische Designerin Neri Oxman - in der Natur steht das Material immer an erster Stelle. Aus den Eigenschaften des Materials ergibt sich die Struktur des Organismus und daraus resultieren seine Form und Erscheinung.

2. Wachstumsanforderungen eines Kräuterseitlings

Im ersten Schritt begannen wir mit einer Recherche darüber, welche Anforderungen ein Pilz, genauer gesagt der Kräuterseitling benötigt, damit er sich im eigens für ihn geprinteten Haus auch wohlfühlt und dieses die besten Eigenschaften bietet.

Der Kräuterseitling braucht nicht besonders viel, um zu wachsen. Zunächst benötigt er einen Nährboden meist aus Sägemehl. Optimal wächst er bei einer Temperatur zwischen +10°C und +18°C im Schatten, benötigt aber trotzdem Licht.

3. Ideen, Konzept und Story

Anfänglich sammelten wir erste Ideen darüber, welche Form unser Pilzgefäß annehmen könnte und wie wir dabei die Wachstumsanforderungen mit einbeziehen können. Wichtig war uns zum einen der Gedanke, dass das Gefäß nicht nur eine „Behausung“ für den Pilz ist, sondern gleichzeitig Lebensgrundlage bietet. Deshalb kamen wir nach einiger Überlegung zu dem Entschluss, Fasern zu unsere Grundsubstanz beizumischen. 

Zusätzlich wollen wir mit unserem Gefäß den Kräuterseitling in den Innenraum bringen und uns somit Eigenschaften wie Gesundheitsförderung und Luftverbesserung zunutze machen. 

Wir erhofften uns von den Fasern Stabilität, um nicht nur den Wurzeln halt zu geben, sondern auch das Gefäß in seiner Stabilität zu unterstützen und einen schnelleren Zerfall zu verhindern und somit eine mehrfache Nutzung möglich zu machen. So zumindest die Hypothese. 

Des Weiteren ergab sich daraus die Vermutung, dass das Gefäß durch die verwendeten Fasern größeres Gewicht tragen kann. Für unseren Entwurf im nächsten Schritt wollten wir diese Vermutung nutzen, um ein an der Wand hängendes Gefäß zu entwerfen.

Um ein Gefühl für unsere Story zu kriegen, entwarfen wir ein Moodboard, auf dem bereits erste Entwurfsideen zu sehen sind.

4. Entwürfe

Im nächsten Schritt sammelten wir verschiedenste Ideen für die Form eines möglichen Gefäßes. Dabei ging es uns darum, die Behausung möglichst schlicht zu halten und den Fokus auf die Materialität zu legen. Dabei beschränkten wir uns nicht auf organische oder geometrische Formen, sondern durchmischten beides. 

Wichtig war es uns auch, dass jedes Gefäß individuell anpassbar und parametrische veränderbar ist. So entsteht nicht nur Vielfalt auch in einfachen Formen, sondern die Gefäße lassen sich zusätzlich an die Wachstumsbedingungen des Kräuterseitlings anpassen. 

Durch die Verwendung von parametrischen Veränderungen ist es möglich, die Einfachheit der Gefäße nicht langweilig erscheinen, sondern jedes anders aussehen zu lassen und zusammengehörige Gruppen und neue Formen zu kreieren.

Gut gefiel uns zunächst die dreieckige Form. Ziel war es hier, diese mit Hilfe von Attractor Points parametrische zu beeinflussen, um mit mehreren einfachen Teilen ein spannendes Gesamtbild zu generieren. 

Zwei verschiedene Varianten druckten wir am Ultimaker in einem kleineren Maßstab.

Im weiteren Verlauf ließen wir uns von der Natur inspirieren. Wir entdeckten Baumhöhlen und Bienenstöcke als Inspirationsquelle, da sich zum einen Pilze gerne in dunkleren Höhlen und Baumspalten ansiedeln. Zum anderen gefiel uns die geschichtete Struktur, die durch die Bienen an Bienenstöcken entsteht. 

Also entschieden wir uns dazu, die Eigenschaften beider zu adaptieren und in unseren Entwurf einfließen zu lassen.

Unseren finalen Entwurf druckten wir ebenfalls in einem kleinen Maßstab mit dem Ultimaker.

5. Material

Wie oben bereits erwähnt, haben wir uns mit additiven Materialien, sprich verschiedenen Fasern beschäftigt. 

Für eine bessere Vergleichbarkeit sind wir in jedem Schritt möglichst gleich vorgegangen. Unsere Menge an Fasern berechneten wir anfänglich mit 1,5% der Gesamtmenge, mussten diese aber stellenweise im weiteren Verlauf anpassen. 

Zunächst haben wir die Fasern zerkleinert, dann alle Zutaten abgewogen, im Thermomix zu einer Masse angerührt, durch den Fleischwolf gegeben, zu Pellets geschnitten und anschließend mehrere Stunden im Ofen getrocknet. 

Mischungen mit Hanf- oder Kokosfasern ließen sich sehr schlecht bis gar nicht mit dem Fleischwolf verarbeiten. Hier mussten wir improvisieren und die Masse mit den Händen in Form rollen. 

Die fertigen Pellets testeten wir bis auf Pellets mit Streu in einem kleinen 3D-Drucker auf ihre Funktion, bevor wir sie mit dem KUKA Roboterarm probeweise druckten.  

Alle Mengenverhältnisse und Beobachtungen sind nachfolgend zur besseren Vergleichbarkeit aufgeführt.

5.1 Versuch mit Hanffasern

Rezept:                                                                    Verhältnis: 6 : 4 : 11 : 3 : 1

• 50g destilliertes Wasser

• 37,5g Glycerin

• 100g Stärke

• 25g Essig

• 9g Hanffasern (1,0 cm Länge)

• 17min im Thermomix

• auf 90°C erhitzt

Eigenschaften:

• nachhaltig

• reißfest und schmutzabweisend

• weich und angenehm

• sehr hitzebeständig

• hoher UV-Schutz

• eine der meist erforschten Fasern

• 3x schnellere Trocknung als Baumwolle

• 3x höhere Feuchtigkeitsaufname als Baumwolle

Beobachtung im Fleischwolf:

• mit dem pinken Aufsatz funktioniert es besser, da Aufsatz größer ist, als der Schwarze

• beim Schwarzen, quillt es zu sehr

Beobachtung nach dem Trocknungsprozess:

• 15-20 min im Trockenofen

• fester als Heu

• sehr faserig

• biegsam

• reißfest

• uneben

Beobachtung nach Extrusion: 

• auf ca. 200°C erhitzt

• kräuselig wegen Fasern

• gelblich

• bricht sehr schnell

• wenig elastisch

Beobachtung nach Extrusion am KUKA Roboterarm: 

• biegsam

• leicht elastisch

• weich

• klebrig

• faserig

• reißfest

• weich und angenehm

3.2.1 Versuch mit Kokosfasern

Rezept:                                                               Verhältnis: 6 : 4 : 11 : 3 : 1

• 50g destilliertes Wasser

• 37,5g Glycerin

• 100g Stärke

• 25g Essig

• 9g Kokosfasern (1,5 cm)

• 9 min im Thermomix

• auf 90°C erhitzt

Eigenschaften:

• nicht ökologisch

• reißfest, dehnbar und strapazierfähig

• schwer entzündlich

• formbeständig

Beobachtung nach dem Anrühren:

• sehr fest, nicht geeignet für 3D-Drucker  

• zu fest und zu viele Kokosfasern

3.2.2 Versuch mit Kokosfasern

Rezept:                                                                      Verhältnis: 9 : 7 : 18 : 4 : 1

• 50g destilliertes Wasser

• 37,5g Glycerin

• 100g Stärke

• 25g Essig

• 5,6g Kokosfasern (1,5 cm Länge)

• 11 min im Thermomix

• auf 90°C erhitzt

Eigenschaften:

• nicht ökologisch

• reißfest, dehnbar und strapazierfähig

• schwer entzündlich

• formbeständig

Beobachtung nach dem Anrühren:

• sehr weich
• sehr klebrig

Beobachtung im Fleischwolf:

• sehr kräuselig

• schwierig durch Aufsatzt zu bekommen, da die Fasern den Aufsatz verstopfen

• pinker Aufsatz funktioniert besser, ist aber alles sehr klebrig

Beobachtung nach dem Trocknungsprozess:

• 15-20 min im Trockenofen

Beobachtung nach Extrusion: 

• auf ca. 200°C erhitzt

• anfangs kräuselig wegen Fasern

• bräunlich

• faserig

• uneben / nicht glatt

• relativ biegsam

• hart

• bei Wärme flexibel/reißfest

Beobachtung nach Extrusion am KUKA Roboterarm:

• Fasern sind sehr gut sichtbar

• leicht elastisch

• Oberfläche nicht glatt aber eben

• sehr dunkel

• faserig

5.3 Versuch mit Bauwollfasern

Rezept:                                                                    Verhältnis: 6 : 4 : 11 : 3 : 1

• 50g destilliertes Wasser

• 37,5g Glycerin

• 100g Stärke

• 25g Essig

• 9g Baumwollfasern (0,3 cm Länge)

• 11 min im Thermomix

• auf 90°C erhitzt- sehr bröslig aber wird fest beim Kneten

Eigenschaften:

• nicht nachhaltig

• leicht

• saugfähig

• atmungsaktiv

• hohe Reißfestigkeit

• luftdurchlässig, nicht isolierend

Beobachtung nach dem Anrühren:

• fest aber nicht so fest wie der erste Versuch mit Kokosfasern

• sehr krümelig

Beobachtung nach dem Trocknungsprozess:

• 15-20 min im Trockenofen

• faserig

• relativ uneben

• nicht reißfest

Beobachtung nach Extrusion: 

• auf ca. 200°C erhitzt

• blau/grünlich; unterschiedlich farbig

• sichtbare Faserstückchen

• biegsam

• bricht nicht leicht nur an Stellen, wo vermutlich keine Fasern sind

• behält Form

• ähnlich wie grüner Gartendraht

• anfangs kräuselig wegen Fasern

Beobachtung nach Extrusion am KUKA Roboterarm: 

• klebrig

• glatt

• weich

• am dunkelsten/ grünlich

5.4 Versuch mit Zellulosefasern

Rezept:                                                                    Verhältnis: 6 : 4 : 11 : 3 : 1

• 50g destilliertes Wasser

• 37,5g Glycerin

• 100g Stärke

• 25g Essig

• 9g Zellulosefasern (0,1 cm)

• 9 min im Thermomix

• auf 90°C erhitzt

Eigenschaften:

• ähnlich wie Baumwolle

• leicht entzündlich

• kurze Fasern

• wasserunlöslich

• sehr faserig

Beobachtung nach dem Anrühren:

• sehr weich

• sehr klebrig

Beobachtung im Fleischwolf:

• trocken, fester, reißfester

• kleben nicht aneinander

Beobachtung nach dem Trocknungsprozess:

• 15-20 min im Trockenofen

• relativ eben

• sichtbare Fasern

• nicht reißfest

• leicht zerbrechbar

• gummiartig

• elastisch

Beobachtung nach Extrusion: 

• auf ca. 200°C erhitzt

• gelblich

• uneben und nicht glatt

• bricht schnell 

• fest

• anfangs kräuselig wegen Fasern

Beobachtung nach Extrusion am KUKA Roboterarm: 

• matt

• rau

• trocken

5.5 Versuch mit Streufasern

Rezept:                                                                    Verhältnis: 6 : 4 : 11 : 3 : 1

• 50g destilliertes Wasser

• 37,5g Glycerin

• 100g Stärke

• 25g Essig

• 9g Streufasern (1,0 cm Länge)

• 12 min im Thermomix

• auf 90°C erhitzt

Eigenschafte:

• holzig

• hart 

• unreines Material

• leicht entzündlich

Beobachtung nach dem Trocknungsprozess:

• auf ca. 200°C erhitzt

• 15-20 min im Trockenofen

• unelastisch

• uneben

• sichtbare Fasern

• nicht faserig bei Bruch

• glatter Bruch

Beobachtung nach Extrusion am KUKA Roboterarm: 

• bernsteinähnlich

• rau

• leicht transparent

• trocken

• heller

5.6 Versuch mit Heufasern

Rezept:                                                                     Verhältnis: 6 : 4 : 11 : 3 : 1

• 50g destilliertes Wasser

• 37,5g Glycerin

• 100g Stärke

• 25g Essig

• 6g Heufasern (0,3 cm Länge)

• 18min im Thermomix 

• auf 90°C erhitzt

Eigenschaften:

• getrocknete Biomasse

• fest

• unreines Material

• leicht entzündlich

Beobachtung nach dem Trocknungsprozess:

• 15-20 min im Trockenofen

• zerbrechlich 

• nicht faserig

• ungleichmäßig

• beim Zerreißen sind die einzelnen Fasern zu erkennen

• uneben

Beobachtung nach Extrusion: 

• auf ca. 200°C erhitzt

• zerbrechlich

• ziemlich hart

• nicht sehr biegsam

• dunkelfarbig

Beobachtung nach Extrusion am KUKA Roboterarm: 

• sehr fest

• nicht elastisch

• glatt

• Fasern erkennbar

• klebt nicht

6. Reißfestigkeitstest

Um unsere Hypothese, dass die Fasern dem Material Stabilität und Festigkeit geben, zu überprüfen, machten wir einen Reißfestigkeitstest. 

Zunächst stellten wir aus allen Materialien Platten her, die wir gleich lang trockneten und später auf 2 cm x 10 cm zurechtschnitten und mit einer Skala versahen, um alle Materialien bestmöglich miteinander vergleichen zu können.

Als Referenz fertigten wir auch Material ohne Fasern an.

6.1 Versuchsaufbau

Um unseren Versuch durchführen zu können, befestigten wir unsere Testobjekte zwischen zwei Schraubzwingen auf der einen Seite an einem Brett, auf der anderen Seite hangen wir einen Eimer daran, den wir jede Minute mit einem Liter Wasser befüllten. Dabei stoppten wir die Zeit.

6.2 Testergebnisse

Ohne Fasern:

• sehr schnell gebrochen

• es war so gut wie keine Testung möglich

• hält kein Gewicht aus

Kokosfasern:

• hat am meisten und am längsten ausgehalten: 10 L bei 11 min

• hat sich um 0,5 cm gedehnt

Streufasern:

• 10 L bei 10:30 min

• gerissen

Hanffasern:

• 10 L bei 9:30 min

• gerissen

Heufasern:

• 9,5 L bei 9:30 min

• gerissen

Baumwollfasern:

• 8,5 L bei 8:30 min

• gerissen

Zellulosefasern:

• 8,0 L bei 7:30 min

• gerissen

7. Unter dem Mikroskop

Unter dem Mikroskop untersuchten wir ebenfalls unsere Materialien, um unsere Ergebnisse aus den Reißfestigkeitstests genauer und wissenschaftlicher untersuchen und begründen zu können. 

Dabei wollten wir unsere Vermutung untersuchen, dass die Materialien nur an Stellen brechen oder schneller brechen, an denen sich keine oder weniger Fasern befinden. 

Im Nachfolgenden sind die Bilder in folgender Reihenfolge zusehen: Faser, Pellet, Extrusion und Extrusion am KUKA Roboterarm. Mit Ausnahme von Streufasern. Hier gibt es keine Extrusion.

7.1 Hanffasern

Hanffasern bestehen aus langen, übereinander und nebeneinander angeordneten Elementarfasern. Die Bündel bestehen aus 2 bis 40 Zelleinheiten, die als Primärfasern bezeichnet werden. Dabei sind die Fasern in den inneren Bündeln im Regelfall kürzer und feiner als die der äußeren Faserbündel. Hanffasern sind größtenteils gelb bis braun.

Nach der Verarbeitung sieht im Material, wie die Fasern zusammenhängen und teilweise auch aus diesem Herausragen.

7.2 Kokosfasern

Die Fasern sind sehr dehnbar und fest. Die Zellwände sind dickwandig und das Lumen ist unregelmäßig geformt. Kokosfasern sind gelblich bis braun. Sie besitzen eine vergleichsweise raue Oberfläche. In den Extensionen sieht man die einzelnen Fasern, die im Vergleich zu den anderen Fasern unserer Vergleichsreihe sehr lang sind.

7.3 Baumwollfasern

Diese pflanzlichen Fasern stellen fast reine Cellulose dar. Die Farbe der Fasern variiert von cremig-weiß über blau bis hin zu schmutzig-grau. Die Oberflächenstruktur ist flach verdreht und schleifenähnlich. 

Die blauen „Linien“ oder Pigmente in den Extrusionen sind Teile der Baumwollfaser. Sie sind sehr fein, weshalb das Material schlussendlich sehr leicht und biegsam wird.

7.4 Zellulosefasern

Diese Fasern sind sehr fein und haben ein Farbspektrum von gelb bis braun. Die Oberflächenstruktur ist flach. In den Extrusionen sind die Fasern kaum erkennbar und zeichnen sich nur durch gelblich/braune Stellen im Material ab.

7.5 Streufasern

Zu sehen sind lang gestreckte, axial angeordnete Zellen, die aufgrund der Anordnung recht stabil wirken. Im Material sieht man die Fasern aufgrund ihrer Dicke. Sie sind erkennbar durch ihre dunkleren Strukturen im Material.

7.6 Heufasern

Die Farbe der Fasern variiert von cremig-weiß zu grün-grau. Die Oberflächenstruktur ist nicht einheitlich, kommt aber der Streufaser am ähnlichsten. In den Extrusionen sieht man vereinzelt die Fasern.

7.7 Ohne Fasern

Die Oberflächenstruktur ist glatt und durchsichtig. Aufgrund fehlender Faser im Material sind keine Pigmente oder auffallende Strukturen zu erkennen. Das Glycerin in der Extrusion lässt das Material an aufgebrochenen Stellen kristallartig aussehen.

8. Warum Hanf?

Nach allen Erkenntnissen und Untersuchungen entschieden wir uns für das finale Material für die additive Faser Hanf. 

Zwar schnitt das Material mit Hanffasern in unserem Reißfestigkeitstest nur als drittbeste Faser ab und lässt sich im Vergleich händisch schlechter verarbeiten als andere Fasern, jedoch ist Hanf im Anbau sowie in der Weiterverarbeitung nachhaltig und besitzt die besten Eigenschaften als Material an sich. Außerdem ist die Belastung, die unser Material in unseren Tests ausgehalten hat, für unser Vorhaben vollkommen ausreichend. 

Ebenfalls unter dem Mikroskop wies die Faser aufgrund ihrer Beschaffenheit die besten Eigenschaften auf und sorgt dafür, dass das Material zusammengehalten wird.

9. 3D-Druck

Nachdem wir eine ausreichende Menge an Pellets hergestellt hatten, begannen wir mit dem 3D-Druck über den Roboterarm. 

Anfänglich verlief der Druck gut ohne große Schwierigkeiten. Nach einiger Zeit machte das Material jedoch Probleme. Durch eine zu große entstehende Flüssigkeitsmenge innerhalb des Roboters kam auf der einen Seite teilweise kein Material und es entstanden große Lücken, auf der anderen Seite entstand durch zu viel Material auf einmal ein Überhang. Deshalb mussten wir den Prozess einige Male abbrechen, bevor wir nach mehreren Stunden zu einem finalen Ergebnis kamen.

10. Finales Modell "Hanfmade"

Unser Pilzgefäß ist „Hanfmade“. Nicht nur, weil es aus Hanf besteht, sondern auch, weil wir die vielen guten Eigenschaften dieser Faser nutzen, um ein biologisch abbaubares Gefäß zu erstellen. Das 30 cm lange Modell soll neben seiner praktischen Funktion die Wand schmücken. Aufgehängt werden könnte es durch einfache Haken in der Wand. Einzeln oder auch als parametrische veränderte Einheit, „Hanfmade“ ist ein vielversprechendes zu Hause für deinen Kräuterseitling.

11. Fazit

Abschließend lässt sich sagen, dass uns dieses Projekt großen Spaß gemacht hat. Zu sehen, wie man mit wenigen Zutaten ein völliges neues, nachhaltiges und biologisch abbaubares Produkt herstellen kann, ist sehr faszinierend.

Ob sich unsere Hypothese, dass die Fasern dem Material Stabilität und Halt geben bestätigt, lässt sich erst nach einem Test genauer sagen.

Auch ob unser Gefäß seine Form behält, werden wir erst in Zukunft herausfinden. Vermuten lässt sich, dass das Gefäß nicht in seiner gewünschten Form bleibt. Aufgrund von Beobachtungen der vorangegangenen Proben wissen wir, dass das Material stark auf Luftfeuchtigkeit reagiert und nach kurzer Zeit weich wird.

In Zukunft wollen wir nicht nur die Gefäße mit dem Pilzmyzel impfen, um all das herauszufinden, sondern auch weiter mit dem Material experimentieren und andere Formen drucken, da wir noch einige Pellets übrig haben. Dabei interessiert uns besonders, ob sich das Druckverfahren optimieren lässt. Ebenfalls interessieren würde uns, ob und inwiefern sich das Material verändert, wenn wir mit der Menge der Fasern variieren.