Die Meinung der Forschung

Es gibt viele Informationen darüber zu finden, wie Unternehmen Zeit, Geld und Material sparen könnten, indem sie 3D-Druck anstelle von maschineller Bearbeitung von Materialien oder des Formens von Ton einsetzen würden. Aber es gibt kaum wissenschaftliche Untersuchungen dazu, ob das auch so korrekt ist.

Dies veranlasste die Handelsorganisation für Nachhaltigkeit in der additiven Fertigung (die Additive Manufacturing Green Trade Association) zwei Studien in Auftrag zu geben, um das Thema zu durchleuchten. Die erste, welche im November 2020 veröffentlicht wurde, ist ein Überblick über die bisherige Forschung im Bereich der Nachhaltigkeit und der additiven Fertigung von Metallen, um neue Schlussfolgerungen zu ziehen und zu ermitteln, worauf sich die weitere Forschung konzentrieren sollte. 

In der zweiten Studie (welche im Frühjahr 2022 erschien) wurden die Umweltauswirkungen der Produktion und des Lebenszyklus von zwei identischen großen Metallteilen für die Luft- und Raumfahrtindustrie verglichen, von denen eines durch konventionelles Schmieden oder Gießen und das andere durch additive Fertigung hergestellt wird.

Die jüngste AMGTA-Forschung kam zu dem Schluss, dass "die additive Fertigung im Allgemeinen einen viel höheren Kohlenstoff-Fußabdruck pro Kilo verarbeiteten Materials hat als die konventionelle Fertigung, wenn man den direkten Herstellungsprozess selbst betrachtet". Die Nachhaltigkeit der additiven Fertigung beginnt und endet jedoch nicht mit der Herstellungsphase. Der 3D-Druck als nachhaltiges Verfahren umfasst den gesamten Lebenszyklus eines Teils - vom ersten Entwurf bis zum Recycling.

3D-Druck im Kreislauf der Rohstoffversorgung

Damit alle Unternehmen nachhaltiger und umweltfreundlicher werden können - was nach Meinung von Regierungen, Handelsverbänden und Verbrauchern nun endlich und schnell geschehen sollte - sind größere Anstrengungen erforderlich, um die Probleme von Abfall, Umweltverschmutzung und übermäßigem Verbrauch von Energie und Rohstoffen zu lösen. 

Auch kleine Unternehmen müssen eine Rolle beim Recycling, bei nachhaltigen Kaufentscheidungen, bei der Verkürzung ihrer Lieferketten und bei der Umstellung auf umweltfreundlichere Büropraktiken, z.B. bei der Reduzierung des Energieverbrauchs, spielen. Jeder Einzelne zählt!

In der Geschäftswelt (wie auch in unserem Privatleben) wird immer mehr darauf Wert gelegt, dass wir unsere derzeitigen Gewohnheiten des "Kaufen-Nutzen-Wegwerfen" hinter uns lassen und zu Praktiken übergehen müssen, die sich auf Wiederverwendung, Reparatur, Überholung, Wiederaufarbeitung und Recycling konzentrieren. Dadurch wird unser Rohstoffverbrauch minimiert und Abfall, Umweltverschmutzung und Kohlenstoff-Emissionen werden verringert.

Ein Beispiel zur Veranschaulichung: Die Europäische Union hat sich zum Ziel gesetzt, dass bis 2030 alle Kunststoffverpackungen in Europa recycelt werden können. Was hat das mit dem 3D-Druck zu tun? Laut einer aktuellen Studie können Thermoplaste in Verbraucherqualität, die in Verpackungen verwendet werden, ein kostengünstiges und nachhaltiges Ausgangsmaterial für den 3D-Druck sein und einen hohen Wert für Kunststoffabfälle liefern. Die Verwendung lokaler Kunststoffabfälle als Rohmaterial ist einer der potenziellen Hauptvorteile der additiven Fertigung.

In der angestrebten Kreislaufwirtschaft,  wird alles, was einmal hergestellt wurde und nicht mehr benötigt wird, recycelt und als neues Rohmaterial wieder verwendet. So schließt sich ein endloser Zyklus. Auch wenn wir dieses Ziel noch nicht erreicht haben, ermöglicht der 3D-Druck Unternehmen heute bereits, Rohstoffe zu sparen, weniger Abfall zu produzieren und andere wichtige umweltfreundliche Vorteile zu nutzen.

1. Effizienteres Designing

Ob man es sich vorstellen kann oder nicht - 3D-Drucker können Produkte mit Formen und Merkmalen herstellen, die mit anderen Fertigungsmethoden nicht zu erzielen sind. Sie können Ihr Produkt also ganz neu gestalten, um es noch effizienter zu machen und verbrauchen dabei weniger Material. Produkte, die früher aus mehreren Bauteilen bestanden haben, können jetzt in einem einzigen Bauteil gedruckt werden.

Unternehmen, die den 3D-Druck einsetzen, können ganze bewegliche Baugruppen und komplizierte Bauteile wie z.B. Kraftstoff-Einspritzdüsen in einem Stück drucken, anstelle von mehreren Komponenten, die separat gedruckt und dann zusammengebaut werden müssen. Auch das spart Abfall und Energie.

3. Ersatzteile und Verlängerung des Lebenszyklus

3D-Drucker können schnell und kostengünstig Reparaturteile für einzigartige oder nicht mehr produzierte Geräte herstellen, so dass alte Maschinen und Fahrzeuge nicht verschrottet werden müssen. Durch eine längere Lebenszeit von bestehenden Maschinen, müssen weniger Rohstoffe und Energie für die Herstellung neuer Maschinen und Geräten benötigt werden.

Mit nur einem Knopfdruck können Ingenieure ein Bauteil ausdrucken, das seit Jahrzehnten nicht mehr hergestellt wurde. Z.B. setzt das weltweite Militär den 3D-Druck ein, um die Lebensdauer älterer Fahrzeuge zu verlängern und Reparaturteile vor Ort zu drucken. So hat z.B. die Airbus-Tochter (Satair) ein zertifiziertes, flugtaugliches Flugzeugersatzteil in 3D gedruckt, das vom ursprünglichen Lieferanten nicht mehr zu beschaffen war und dessen Herstellung mit herkömmlichen Mitteln zu teuer gewesen wäre.

4. Einsparung von Lagerkapazitäten

Mit 3D-Druckern können Sie nach Bedarf oder auch in kleinen Stückzahlen drucken, anstatt ein Lager mit Ersatz- und großen Bestandsmengen zu führen, von denen viele möglicherweise nicht mal mehr benötigt werden.

Ein Beispiel hierfür wäre der Einsatz im Brillengeschäft (Optiker), welche mit einem 3D-Drucker zusammenarbeiten könnte, um 3D-gedruckte Brillenkollektionen auf den Markt zu bringen. Jedes Brillengestell kann an den Träger angepasst und auf Abruf hergestellt werden, wodurch Lagerbestände vermieden werden. Genial oder?

5. Schneller und vielseitiger

3D-Drucker benötigen weniger Werkzeuge, Bauteile und Verfahrensschritte als die herkömmliche Fertigung. Daher entfällt ein Großteil der sonst benötigten Arbeit, Ausrüstung und der Energie. 3D-Druck ist dazu meist schneller.

Im Gegensatz zu anderen Fertigungsverfahren ist die additive Fertigung ein Computer-zu-Bauteil-Verfahren, d.h. es gibt keine Werkzeuge oder Formen und nur sehr wenig Arbeitsschritte zwischen dem digitalen Entwurf und der Produktion (fairerweise füge ich hinzu, dass einige Verfahren eine Nachbearbeitung erfordern).

Vergleichen Sie zum Beispiel den 3D-Druck mit dem Kunststoffguss zur Herstellung medizinischer Modelle. Eine medizinische Universität könnte mit einem 3D-Drucker benötigte Modelle/Bauteile in verschiedenen Materialien und Farben drucken. 

Für die gleichen Modelle, welche im Kunststoffgussverfahren hergestellt werden, müssten zunächst separate Formen für jedes Bauteil angefertigt werden, dann würde eine Maschine einen einzigen Kunststoff schmelzen und in die Form gießen - ein Prozess, der in einer Fabrik durchgeführt werden müsste. 

Die Herausforderung des 3D- Drucks in Sachen Nachhaltigkeit

Jeder einzelne der oben genannten Punkte könnte für Unternehmen Grund genug sein, sich der additiven Fertigung zuzuwenden, um nachhaltiger zu werden. Doch trotz der Nachhaltigkeitsmerkmale und des Potenzials ist die additive Fertigung nicht völlig umweltfreundlich.

Die größte ökologische Herausforderung bei der additiven Fertigung ist heute der Umgang mit Abfällen wie fehlgeschlagenen und veralteten Drucken, überschüssigen oder verbrauchten Flüssigharzen und Kunststoffpulvern, Trägermaterialien und Nebenprodukten des Metalldrucks.

Obwohl es nur wenige Daten über die Gesamtabfallmenge gibt, die durch die additive Fertigung in die Umwelt gelangt, wird umso mehr gedruckt, je einfacher und billiger der 3D-Druck wird. Da preisgünstige 3D-Drucker es Designern ermöglichen, Prototypen schnell und in mehreren Durchläufen zu produzieren, entsteht ein neues Abfallproblem.

Obwohl das beliebteste Kunststoff-Filament für den 3D-Druck, PLA (Polymilchsäure), ein biologisch abbaubarer Thermoplast ist, der aus nachwachsenden Rohstoffen wie Maisstärke oder Zuckerrohr hergestellt wird, ist es nur nach industrieller Verarbeitung biologisch abbaubar und kann in der Regel nicht in den für Verbraucher typischen Recycling- oder Kompostieranlagen verarbeitet werden. 

Obwohl additive Fertigung ein großes Potenzial hat, einen geschlossenen Kreislauf für die Materialverwendung zu schaffen - das Recycling von gedruckten Teilen zurück zu Rohmaterial - ist es in der Praxis noch lange nicht die Normalität.

Andere Kunststoffe, die in der additiven Fertigung verwendet werden, sind noch schwieriger zu recyceln als PLA, einige sind nicht recycelbar, und andere erfordern aufgrund von Umweltvorschriften spezielle Entsorgungsmethoden. Es gibt zahlreiche Forschungsarbeiten zur Verbesserung der Nachhaltigkeit einiger additiven Fertigungsmaterialien, aber es gibt keine branchenweiten Initiativen.

Abgesehen von der Recycelbarkeit werden Kunststoffe auf Erdölbasis wie ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) durch umweltschädliche Ölförderungs- und Raffinierungsverfahren hergestellt, was sie zu einer nicht nachhaltigen Materialwahl macht.

Noch schwieriger ist es, Kunststoffe aus dem selektiven Lasersintern zu recyceln oder wiederzuverwerten. "Beim Lasersintern, der am zweithäufigsten verwendeten 3D-Drucktechnologie, werden bis zu 50 % des Pulvers zu Abfall", so der Materialhersteller Materialise. "Die Möglichkeiten, gebrauchtes Pulver zu recyceln, sind begrenzt und der 3D-Druck mit ausschließlich gebrauchtem Pulver führt zu Oberflächenproblemen, die das 3D-gedruckte Objekt für die meisten Anwendungen ungeeignet machen."

Metallpulver, das bei einem Druckvorgang übrig bleibt, kann zurückgewonnen und für weitere Druckvorgänge wiederverwendet werden, aber es gibt eine Grenze für die Anzahl der Wiederverwendungen, bei denen die Integrität erhalten bleibt. In vielen High-Tech-Branchen, wie z.B. der Luft- und Raumfahrt, sind spezifische und überprüfbare Metallqualitäten erforderlich, was die Wiederverwendung von Material erschwert.

Letztendlich müssen Unternehmen ihr überschüssiges Metallpulver wie jeden anderen Metallschrott entsorgen. Metallpulverkondensat, das ebenfalls im Metalldruckverfahren anfällt, muss gemäß den Richtlinien für gefährliche Abfälle entsorgt werden.

Die Herstellung von Metallpulver für die additive Fertigung aus metallischem Rohmaterial durch Zerstäubung ist ein energieaufwändiger Prozess, bei dem auch einige metallische Nebenprodukte anfallen.

Nachhaltiger 3D-Druck ist bereits heute machbar

Tatsache ist, dass der 3D-Druck heute sehr umweltfreundlich sein kann und das Potenzial hat, noch umweltfreundlicher zu werden, wenn die Recyclingtechnologie und die Entwicklung von Rohstoffen voranschreiten.

Unternehmen, die sich für giftige, nicht erneuerbare Materialien entscheiden, die mit wenig Rücksicht auf Materialerhaltung oder Arbeitssicherheit drucken und die unbenutzte Drucke wegwerfen, anstatt sie zu recyceln, schöpfen das Potenzial der additiven Fertigung jedoch nicht aus.

Letztendlich ist es nicht die Herstellungsmethode, sondern die Entscheidungen der 3D-Druck-Unternehmen - oder die additive Fertigung als Industrie - die über die Nachhaltigkeit des 3D-Drucks entscheiden.

Aktuelle und potenzielle staatliche Regelungen in der EU und den USA, die Unternehmen für ihren CO2-Fußabdruck bestrafen und Bemühungen um nachhaltige Verfahren mit Zuschüssen und Steuererleichterungen belohnen, sind ein weiterer Anreiz für die Einführung der additiven Fertigung.

Darüber hinaus sollte die Attraktivität der Nachhaltigkeit für die Verbraucher nicht unterschätzt werden. Umweltsensibilität spielt bei der Entscheidungsfindung der Verbraucher eine immer größere Rolle, vor allem bei jüngeren Verbrauchern, die sich für Unternehmen entscheiden, die "umweltbewusster" sind als ihre Konkurrenten.