Im Rahmen unserer Serie “Was sind die Vorteile des 3D-Drucks?” werfen wir einen genaueren Blick auf jeden unserer zehn wichtigsten Faktoren. In diesem Artikel untersuchen wir, wie “nachhaltig” die additive Fertigung sein kann.
Das Thema “grüne Produktion” ist komplex, und ähnlich wie bei der Produktion von Elektroautos gibt es viele Ebenen dessen, was als “nachhaltig” definiert werden kann oder sollte – das Endprodukt kann für den Endverbraucher beeindruckende grüne Referenzen aufweisen , während Aspekte seiner Produktion ähnliche Umweltauswirkungen haben können wie die eines herkömmlichen Verbrennungsmotors.
Trotz der Verteufelung von Plastik im letzten Jahrzehnt ist der 3D-Druck in vielerlei Hinsicht nachhaltig und kann, wenn er intelligent eingesetzt wird, Abfall reduzieren, die Produktion lokalisieren und das Recycling steigern.
Die Vorstellung, dass der 3D-Druck der Gipfel der umweltfreundlichen Produktion ist, ist jedoch weit gefehlt. Eine Studie der Universität Loughborough in Großbritannien hat gezeigt, dass der Energieverbrauch durch den Einsatz von Lasern und Wärme während des Druckprozesses extrem hoch ist, viel höher als bei den konventionellen Technologien, mit denen er oft verglichen wird.
Materialverbrauch
Es gibt jedoch ein Argument, dass dies durch den minimalen Materialverbrauch ausgeglichen wird. Beim 3D-Druck wird in der Regel deutlich weniger Material benötigt als bei einem herkömmlichen Verfahren, da nur das Material verwendet wird, das für die Herstellung des Teils erforderlich ist (plus eine kleine Menge Opfermaterial). Bei der subtraktiven Fertigung werden große Mengen an Material weggeschnitten, die dann im Abfall landen.
Optimiertes Design
Mit dem 3D-Druck können Ingenieure ihre Entwürfe jetzt optimieren, um die benötigte Materialmenge noch weiter zu reduzieren, ohne die Festigkeit oder Integrität des Teils zu beeinträchtigen, insbesondere durch den Einsatz automatisierter Tools zur Designoptimierung. Zum Beispiel können Konstruktionsmerkmale wie Gitter und Wabenstrukturen das Material und damit das Gesamtgewicht eines Bauteils erheblich reduzieren, während die für die Funktion erforderliche Festigkeit erhalten bleibt. Dies ist ein wichtiger Faktor für den Automobil- und Luftfahrtsektor, wo sich eine Gewichtsreduzierung direkt auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Autodesk hat im Jahr 2020 einen Proof of Concept durchgeführt, bei dem herkömmliche Guss- und 3D-Druckverfahren miteinander kombiniert wurden. Dabei wurde der Prototyp eines Flugzeugsitzrahmens für die Economy Class hergestellt, der im Durchschnitt 54 % leichter war als seine herkömmlichen Gegenstücke. Diese Sitze sparten insgesamt bis zu 63 Tonnen Treibstoff pro Flugzeug im Airbus A380 und reduzierten die Kohlendioxidemissionen im gleichen Zeitraum um 126.000 Tonnen (das entspricht dem Ausschluss von 80.000 Autos von der Straße für ein Jahr!) Wie in diesem Beispiel ist der 3D-Druck in einzigartiger Weise in der Lage, mehrere Teile zu weniger oder sogar nur einer Komponente zusammenzufassen, was weniger Baugruppen, weniger Befestigungselemente und einen einfacheren Weg zum Recycling bedeutet. In einer Zeit, in der die Luftfahrtindustrie unter dem Druck steht, die Emissionen zu reduzieren, sind Wege zu leichteren Flugzeugen und geringerem Treibstoffverbrauch sehr begehrt.
Verteilung von Emissionen
Solange es nicht den “heiligen Gral” eines Druckers gibt, der “plug and play” ist und mehrere Materialien zu einem akzeptablen Preis verarbeiten kann, ist die Vision des “building-on-demand” vor Ort noch nicht da. Nichtsdestotrotz haben die Ereignisse der letzten 18 Monate die Unternehmen dazu veranlasst, ihre Lieferketten ernsthaft zu überdenken und den Weg für spezialisierte Servicebüros zu ebnen, die die Mühen des Betriebs komplexer Maschinen aus dem Weg räumen. Die Möglichkeit, Teile überall und auf relativ kleinem Raum zu drucken, könnte theoretisch die durch den Transport verursachten Vertriebsemissionen erheblich senken und den Bedarf an monströs großen Lagereinrichtungen beseitigen. Für einige frühe Anwender in der Automobil- und Luftfahrtindustrie, wo die Emissionszahlen besonders dramatisch sind, sind die Auswirkungen auf die Umwelt enorm.
Materialtypen
Polymere sind außerdem in hohem Maße recycelbar. Ein großer Teil des Ricoh 3D-Pulverabfalls wird recycelt und wiederverwendet – 90 Prozent unseres Flaggschiff-Polypropylen-Materials wird im Prozess recycelt, was es zu einem der SLS-Materialien mit der niedrigsten Wiederverwendungsrate auf dem Markt macht.
Auch für das Recycling von Abfällen gibt es inzwischen fantasievolle Lösungen auf dem Markt. Einige Unternehmen wie das in der Schweiz ansässige Unternehmen Hot Wire Extensions verwenden SLS-3D-Nylonpulver für die Herstellung spektakulärer Möbelstücke und Kunstinstallationen. Der Marktführer Materialise verwendet seit langem Nylonabfälle für die Herstellung von nicht funktionalen kosmetischen Teilen, die an die breite Öffentlichkeit verkauft werden.
Nylon ist international immer noch das dominierende Material im 3D-Druck, aber es gehört zu den am schwierigsten zu entsorgenden Materialien. Aus diesem Grund setzt sich Ricoh 3D für Polypropylen als Alternative zu Nylon ein, da es gleichwertige oder sogar bessere Eigenschaften zu vergleichbaren Kosten bietet und viel einfacher recycelt werden kann.
Die Nachfrage nach biobasierten Materialien, die aus Pflanzen, natürlichen Ölen oder bakteriell gezüchteten Stoffen hergestellt werden, im Gegensatz zu den traditionellen erdölbasierten Materialien, steigt auch in der Industrie. So hat z.B. Lego versprochen, bis 2030 durch Investitionen in recycelte und biobasierte Materialien keine neuen Kunststoffe auf fossiler Basis mehr zu produzieren. PLA (Polymilchsäure) ist ein Material, das aus vollständig erneuerbaren Quellen hergestellt wird und durch den FDM-Druck auch bei Privatanwendern populär geworden ist. Diese biologisch abbaubaren, erneuerbaren Materialien sind zwar nicht für alle Anwendungen geeignet, werden aber von den Materialherstellern immer weiter verfeinert, um bessere Eigenschaften zu erhalten. Zweifellos werden Innovationen im Bereich des Energieverbrauchs und der Materialeffizienz auch in Zukunft die Tagesordnung beherrschen, zusammen mit der beschleunigten Einführung von generativen Designtools, die Produkte leicht machen und konsolidieren. Noch ist er nicht “grün”, aber der 3D-Druck könnte sich als entscheidend für die Schaffung einer nachhaltigeren Fertigungsindustrie erweisen.