Nachhaltigkeit: 3D Druck

13.02.2024

Viele Unternehmen müssen für eine klimaneutrale Produktion ihre Prozesse umweltfreundlicher und nachhaltiger gestalten. Auch der finanzielle Druck sorgt dafür, dass das Thema Energie- und Ressourceneffizienz stärker in den Mittelpunkt rückt. Im Rahmen der ökologischen Nachhaltigkeit sind Energieeinsparung, Reduzierung der CO ₂ -Emissionen und Ressourceneinsparung relevante Ziele. Können neue additive Fertigungstechnologien (engl. Additive Manufacturing, AM) dabei helfen, die angestrebten Nachhaltigkeitsziele zu realisieren?

Mit Hilfe einer Lebenszyklusanalyse können die potenziellen Umweltauswirkungen und die Energiebilanz eines Produkts systematisch analysiert werden. Dabei werden die Umweltfolgen betrachtet, die während der Produktion, Nutzung und Entsorgung des Produkts entstehen. Anhand der Ergebnisse der Lebenszyklusanalyse können verschiedene Fertigungsprozesse hinsichtlich ihres anteiligen Energiebedarfs sowie der anteiligen CO ₂ -Emissionen am gesamten Lebenszyklus miteinander verglichen werden.

Nachhaltigkeit: Klassische Verfahren vs. 3D-Druck

In verschiedenen Studien wurden die Umweltauswirkungen etablierter Produktionstechnologien wie Gießverfahren oder spanende Bearbeitung mit additiven Fertigungstechnologien auf Basis einer Lebenszyklusanalyse verglichen. Dabei wurden unter anderem additive Fertigungsverfahren wie Elektronenstrahlschmelzen, Wire-Arc-Additive-Manufacturing und Binder Jetting mit metallischen Werkstoffen analysiert [1,2]. Die additiv gefertigten Bauteile wurden zuvor topologisch optimiert und das Ausgangsmaterial durch ein AM-Material ersetzt. Dies führte bauteilabhängig zu einer Materialeinsparung von 15,5 % bzw. 69 % beim Binder Jetting bzw. beim selektiven Laserschmelzen. Im Ergebnis dieser Studien konnte ermittelt werden, dass die Gießverfahren einen geringeren Energiebedarf als die additiven Verfahren haben. Zurückgeführt werden kann dies hauptsächlich auf den reduzierten Energiebedarf während der Rohmaterialproduktion. Im Vergleich hat das Binder-Jetting-Verfahren die höchsten CO ₂ -Emissionen, dies kann durch die Entfernung des Binders während des Prozesses erklärt werden. Außerdem wurde festgestellt, dass das selektive Laserschmelzen bei Verwendung erneuerbarer Energiequellen weniger CO ₂ -Emissionen ausstößt als das Gießverfahren.

In einer weiteren Studie wurde Direct Energy Deposition (DED) als additives Verfahren gewählt [3]. Das produzierte Bauteil wurde für das AM-Verfahren nicht topologisch optimiert und im Rahmen der Lebenszyklusanalyse wurde nur die Produktionsphase betrachtet. Im Ergebnis der Studie schnitt das DED-Verfahren in Hinblick auf seine Umweltauswirkungen schlechter ab als das traditionelle Verfahren. Dies wurde auf die geringe Pulvereffizienz sowie den höheren Energiebedarf des AM-Prozesses zurückgeführt. Nach aktuellem Stand der Technik sind Gießverfahren, vor allem bei Produktionsserien mit großen Stückzahlen und vergleichsweise einfachen Bauteilgeometrien, die umweltfreundlicheren Prozesse. Mit steigenden Anforderungen an die Komplexität der Bauteile erreichen die Gießverfahren ihre Grenze, sodass eine spanende Bearbeitung notwendig wird. Bei den spanenden Verfahren wird das Bauteil aus einem Rohteil durch Materialabtrag gewonnen. Am Ende des Prozesses fällt meist ein Großteil des Ausgangsmaterials als Materialabfall an. Durch den Ersatz von spanenden Verfahren durch additive Fertigungstechnologien kann dieser Anteil an Rohmaterial reduziert werden, was zu einer Einsparung von Energie und CO ₂ -Emissionen, vor allem im Bereich der Rohmaterialproduktion, führt.

Weniger Materialeinsatz, mehr Designfreiheit

Ein wesentlicher Vorteil der additiven Fertigungsverfahren ist die Designfreiheit und damit die Möglichkeit, sehr komplexe Bauteilgeometrien im Prozess realisieren zu können. Das Resultat ist eine erhebliche Materialeinsparung im Vergleich zu spanenden Verfahren. Durch eine Topologieoptimierung der Bauteile (optimierte Gestalt unter Berücksichtigung der mechanischen Belastung des Bauteils) kann der benötigte Materialanteil weiter minimiert und Ressourcen eingespart werden. Hierbei gilt es zu beachten, dass der Anteil der Materialeinsparung immer von der Bauteilgeometrie selbst abhängt.

Potenziale der additiven Fertigung für eine nachhaltigere Produktion

Grundsätzlich können additive Fertigungsverfahren zum Erreichen von ökologischen Nachhaltigkeitszielen beitragen. Vor allem im Bereich komplexer Bauteilgeometrien könnte der Einsatz von additiven Fertigungsverfahren durch die Materialeinsparung eine nachhaltigere Produktion ermöglichen. Aus einer Befragung des Unternehmens Sculpteo ging hervor, dass 41 % der befragten Firmen die Additive Fertigung als eine Möglichkeit für das Erreichen ihrer Nachhaltigkeitsziele sehen [4]. Die betrachteten Studien geben allerdings Hinweise darauf, dass der Energiebedarf der AM-Verfahren sowohl durch die Rohmaterialherstellung als auch durch die AM-Anlage selbst negativ beeinflusst wird. Die ökologische Nachhaltigkeit der AM-Verfahren könnte durch den vermehrten Einsatz von erneuerbaren Energien sowie energieeffizientere Prozessanlagen verbessert werden. Sofern es gelingt, die Materialeffizienz des Prozesses zu verbessern, trägt dies zur Ressourceneffizienz bei. Um die Nachhaltigkeit additiver Fertigungsverfahren noch besser beurteilen zu können, bedarf es noch weiterer Studien. Schließlich handelt es sich bei der Additiven Fertigung um eine hochdynamische Technologie, und die Anzahl entsprechender Verfahren und Maschinen wächst stetig. Des Weiteren muss noch viel verfahrensspezifisches Know-how aufgebaut werden, bis diese Technologien in der Industrie vollständig konkurrenzfähig zu traditionellen Verfahren sind. Dies bietet jedoch auch die Möglichkeit, die Prozesse der Rohstoff- sowie Bauteilherstellung nachhaltiger zu gestalten.

Ausführliche Informationen zum Thema „Industrialisierung der Additiven Fertigung“ gibt es in der Roadmap der Koordinierungsstelle Additive Fertigung. Jetzt kostenfreies Expertenwissen sichern.

Veranstaltungstipp: EinDruck³ 2024 – Wege in eine digitale und nachhaltige Produktion

Möchten Sie wissen, wie Sie den ökologischen Fußabdruck Ihres Unternehmens reduzieren können und wie Ihnen die Additive Fertigung dabei hilft? Dann besuchen Sie unser Fachforum EinDruck³! Hier erfahren Sie mehr über umweltfreundliche Rohstoffquellen und nachhaltige Produktlebenszyklen. Außerdem erläutern Ihnen unsere Expertinnen und Experten, wie der industrielle 3D-Druck dazu beitragen kann, die CO ₂ -Emissionen in der Produktion zu reduzieren. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf dem Thema Datengewinnung und -nutzung in der Additiven Fertigung.

Literaturnachweis:

[1] DeBoer, B., Nguyen, N., Diba, F. et al. (2021) Additive, subtractive, and formative manufacturing of metal components: a life cycle assessment comparison. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 155, 413-432

[2] Priarone, P., Catalano, A., Settineri, L. (2023) Additive manufacturing for the automotive industry: on the life-cycle environmental implications of material substitution and lightweighting trough re-design. Progress in Additive Manufacturing

[3] Liu, Z., Jiang, Q., Cong, W. et al. (2018) Comparative study for environmental performances of traditional manufacturing and directed energy deposition processes. International Journal of Environmental Science and Technology, 15, 2273-2282

[4] d’Orsetti, A. et al. (2022) The State of 3D Printing, 2022 Edition. Sculpteo

Piarone, C., Ingarao, G., di Lorenzo, R. et al. (2016) Influence of Material-Related Aspects of Additive and Substractive Ti-6Al-4V Manufacturing on Energy Demand and Carbon Dioxide Emissions. Journal of Industral Ecology, 21, 191-202

Reis, R., Kokare, S., Oliviera, J.P. et al. (2023) Life cycle assessment of metal products: A comparison between wire arc additive manufacturing and CNC milling. Advances in Industrial and Manufacturing Engineering, 6, 100117

Kokare, S., Oliviera, J.P., Godina, R. (2023) A LCA and LCC analysis of pure substractive manufacturing, wire arc additive manufacturing, and selective laser melting approaches. Journal of Manufacturing Processes, 101, 67-85

Priarione, C., Pagone, E., Martina F. et al. (2020) Multi-criteria environmental and economic impact assessment of wire arc additive manufacturing.  CIRP Annals – Manufacturing Technology, 69, 37-40

Lyons, R., Newell, A., Ghadimi, P. et al. (2021) Environmental impacts of conventional and additive manufacturing for the production of Ti-6Al-4V knee implant: a life cycle approach. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 112, 787-801

Campatelli, G., Montevecchi, F., Venturini, G. et al. (2020) Integrated WAMM-Subtractive Versus Pure Subtractive Manufacturing Approaches: An Energy Efficiency Comparison. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology, 7, 1-11

Jiang, Q., Liu, Z., Li, T. et al. (2019) Emergy-based life-cycle assessment (Em-LCA) for sustainability assessment: a case study of laser additive manufacturing versus CNC machining. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 102, 4109-4120

Kokare, S., Oliviera, J.P., Godina, R. (2023) Life cycle assessment of additive manufacturing processes: A review. Journal of Manufacturing Systems, 68, 536-559