Mit dem industriellen 3D-Druck zu mehr Nachhaltigkeit

24. August 2022 | Lesezeit: 4 min

Wir bei EOS orientieren uns an dem Grundsatz der verantwortungsvollen Fertigung. Aber was ist eine verantwortungsvolle Fertigung? Und wie kann der 3D-Druck der Industrie helfen, die Umweltauswirkungen ihrer Produkte zu verbessern?

Beispiele aus verschiedenen Branchen

Dass die industrielle Fertigung negative Auswirkungen auf unseren Planeten und das Klima hat, ist unbestreitbar. Laut dem jährlichen Bericht zum Global Carbon Budget stiegen die CO₂-Emissionen 2021 schätzungsweise um 4,8 Prozent gegenüber dem Vorjahr, wodurch sie fast wieder das Niveau von 2019 erreicht haben. Die Internationale Energieagentur (IEA) meldet, dass die globalen energiebedingten Treibhausgasemissionen von 2020 bis 2021 um fast 5 Prozent zunahmen – um 2,1 Gigatonnen (Gt) auf 36,3 Gt. Das ist der höchste Anstieg, der jemals binnen Jahresfrist registriert wurde.

Da so viel auf dem Spiel steht, sind wir gemeinsam dafür verantwortlich, den CO₂-Ausstoß sowie andere nachteilige Auswirkungen auf die Umwelt zu reduzieren. Jede Branche verursacht ein gewisses Maß an Emissionen und sonstigen Umweltbelastungen. Mit der richtigen Einstellung und einer sorgsamen Umsetzung neuer Leitlinien und Strategien lassen sich diese jedoch verringern.

Was ist nachhaltige Fertigung?

Alles, was wir bei EOS tun, ist darauf ausgelegt, bessere Verfahren für die industrielle Fertigung zu entwickeln. Wir wollen über den Prozess hinweg positive Änderungen umsetzen, für die keine Abstriche in Bezug auf Effizienz und Qualität gemacht werden müssen. Über unsere kontinuierliche Arbeit im Bereich der additiven Fertigung (additive manufacturing, AM) wollen wir Produzenten die Möglichkeiten innovativer Technologien nahebringen und ihnen die Vorteile, den ein nachhaltiger Ansatz für Unternehmen, die Menschheit und unsere Welt haben kann, präsentieren.

Nachhaltige Fertigung berücksichtigt die durch sie verursachten Umweltauswirkungen und versucht, diese über Anpassungen bei Prozessen, Technologien, der Werkstoffauswahl und der Beschaffung weitestgehend abzufedern. Je nach Unternehmen bieten sich beispielsweise folgende Maßnahmen an: Wechsel der Zulieferer, um den Anfahrtsweg für die Rohstoffe zu kürzen, oder Aufbau eines völlig neuen Fertigungsverfahrens als Abkehr vom traditionellen Ansatz. 

Für uns bei EOS bedeutet nachhaltige Fertigung, dass wir unsere langjährige Erfahrung und unser bahnbrechendes Know-how in den Dienst unserer Kunden stellen; damit diese ihre eigenen Nachhaltigkeitsziele erreichen. Der 3D-Druck kombiniert zwei miteinander verknüpfte Innovationshebel, die über eine digitale Wertschöpfungskette aktiviert werden: Produktinnovationen und Innovationen entlang der Lieferkette. Auf der Produktseite ermöglicht AM, Bauteile zweckgerichtet zu gestalten und zu individualisieren. Durch eine dezentralisierte On-Demand-Produktion und ein kreislaufwirtschaftliches Konzept lässt sich die Lieferkette künftig noch nachhaltiger gestalten.

Mit Hilfe des 3D-Drucks kann ein Unternehmen auf vielerlei Weise Fortschritte in Richtung einer verantwortungsvollen Produktion machen. Hier sind einige Beispiele:
 

Leichtere Konstruktionen

Für die additive Fertigung von Bauteilen wird weniger Werkstoff benötigt, wodurch deren Gewicht signifikant sinkt. Die Leichtbaukonstruktion trägt zur Senkung der CO₂-Emissionen und zur besseren Funktionsintegration bei. Stellen Sie sich beispielsweise einmal vor, was dies für einen Hydraulikblock eines Airbus A380 bedeutet. Dadurch, dass dieses essentielle Bauteil des Flugzeugs im industriellen 3D-Druck gefertigt wurde, konnte sein Gewicht um 35 Prozent reduziert werden, ohne seine Leistung zu schmälern. Das ist nur ein Bauteil von Tausenden, aus denen sich ein Flugzeug zusammensetzt. Man stelle sich einmal vor, wie weit sich das Gewicht reduzieren ließe, wenn nur die Hälfte der anderen Komponenten ebenfalls als Leichtbauvariante gefertigt würden. Eine solch signifikante Gewichtsverringerung würde dazu führen, dass Flugzeuge weniger Treibstoff benötigen und so auch weniger CO₂ ausstoßen.

Mehr Energieeffizienz

Die additive Fertigung eröffnet vielfältige Möglichkeiten, wenn es um die kreative Gestaltung eines Bauteils geht. Da Entwickler im Vergleich zur konventionellen Fertigung mehr Freiräume haben und Fortschritte in der digitalen Gestaltung und Erprobung nutzen können, lassen sich Bauteile von Grund auf neu konzipieren, sowohl in Bezug auf ihr Design als auch in Bezug auf die Materialien, aus denen sie bestehen. Über den 3D-Druck können Hersteller mit hochkomplexen Geometrien experimentieren, die sich mit subtraktiven Verfahren gar nicht herstellen ließen.

Ein praktisches Beispiel hierfür ist die Neugestaltung von Wärmetauschern, die eine hohe Oberflächendichte benötigen, um Wärme zu übertragen und Energie wiederzugewinnen, damit Systeme effizienter und zuverlässiger laufen. Im Falle des Wärmetauschers Conflux Core™ war es dank des Einsatzes von 3D-gedruckten Conflux möglich, die Oberflächendichte drastisch zu vergrößern, ohne dass der Wärmetauscher dafür größer ausgelegt werden musste (die neue Einheit war sogar kleiner als ihr Vorgänger). Dies führte dazu, dass sich die Wärmeabgabe verdreifacht hat, was eine bessere Wärmegewinnung ermöglichte.

Weniger Überproduktion

Ein großer Pluspunkt, den AM bietet, ist die Umstellung der Bauteilproduktion auf ein dezentralisiertes On-Demand-Modell. Traditionell stellen Fabriken Bauteile en masse her, wobei in der Regel über den Bedarf hinaus produziert wird. Dies führt nicht nur zu überschüssigen Bauteilen, die eingelagert werden müssen. Es werden auch Werkstoffe für deren Fertigung verschwendet. Mit dem 3D-Druck lassen sich limitierte Chargen auf Abruf schnell und effizient herstellen. So lässt sich der Kundenbedarf decken, ohne dass Material verschwendet wird, Lagerplatz nötig ist oder neue Bauteile wegen fehlenden Bedarfs entsorgt werden müssen.

Vor genau dieser Herausforderung stand EvoBus. Das Unternehmen musste Bestellungen für Bus-Ersatzteile häufig in Chargen von 15, 20 oder sogar 100 Teilen herstellen, selbst wenn nur eines benötigt wurde. Dank der AM-Technologie war EvoBus in der Lage, ein neues Ersatzteilmanagement einzuführen, bei dem bedarfsgerecht produziert wird.

Darüber hinaus lässt sich beim 3D-Druck eine gewisse Menge des nicht geschmolzenen Werkstoffs (d. h. loses Pulver, das nicht zur Herstellung des Endprodukts genutzt wurde) für die künftige Bauteilherstellung wiederverwenden. Wie viel Pulver für künftige Bauaufträge recycelt werden kann, hängt von der Art der Anwendung und des eingesetzten Werkstoffs ab. Beim Standardwerkstoff PA12 beträgt die Neuzuführungsrate (Refresh Rate) 50 Prozent, d. h. das Pulver besteht je zur Hälfte aus recyceltem und aus neuem Werkstoff. Auch wenn diese Zahlen veränderlich sind, liegt der Ausschuss beim 3D-Druck im Allgemeinen deutlich unter dem anderer – z. B. subtraktiver – Fertigungsverfahren.

Verantwortungsvolle Beschaffung

Es gibt immer mehr Werkstoffe, die zur Herstellung von Pulvern für die additive Fertigung genutzt werden. Dies liegt daran, dass der Wunsch nach mehr Nachhaltigkeit um sich greift. Die Erforschung der Eigenschaften der verschiedenen Pulver dient einerseits dazu, ein hohes Ausmaß an Produktqualität und Funktionalität sicherzustellen. Andererseits lassen sich so Lösungen finden, die rezyklierbar sind, länger halten oder rein natürlichen Ursprungs sind. Der von EOS angebotene Werkstoff Polyamid PA11 ist ein Paradebeispiel dafür, wie sich über natürlich vorkommende und nachhaltige Ressourcen, wie Rizinussamen, die Fertigung von Kunststoffen mit Materialien auf Biobasis verändern lässt.

Unser Ziel besteht darin, vor dem Hintergrund des Wunsches nach mehr Nachhaltigkeit über bahnbrechende AM-Technologien und Werkstoffe digitale Lösungen für bestehende und künftige Produktionsprobleme zu bieten. Für uns bedeutet dies, dass wir darauf hinarbeiten, die Energieeffizienz zu erhöhen, die Verschwendung zu reduzieren und die Ressourcen in jeder Etappe des Prozesses verantwortungsbewusst einzusetzen. Wir glauben mit ganzem Herzen daran, dass wir über Innovation und Kreativität die nachhaltige Fertigung gemeinsam als neue Normalität etablieren können.