Nachhaltigkeit in der additiven Fertigung

Nachhaltigkeit ist eines der zentralen Themen der aktuellen Zeit und beschäftigt viele Unternehmen im Zuge einer umweltfreundlicheren Ausrichtung von Produktionsprozessen und Produkten. Einen wichtigen Beitrag können hierbei die verschiedenen Methoden der additiven Fertigung (AM; kurz für Additive Manufacturing) leisten. Unter diesem Dachbegriff sammeln sich diverse Verfahren, mithilfe derer Bauteile dreidimensional hergestellt werden. Als Schlüsseltechnologie der Industrie 4.0 bedeutet AM nicht nur beinah grenzenlose Geometriefreiheit, sondern auch flexible und schnellere Produktion, Individualisierungsmöglichkeiten sowie auch nachhaltige Lösungen. 

Im Gegensatz zu den herkömmlichen Produktionsmethoden, bei denen Objekte abtragend und mit viel Materialverschleiß aus einem Materialblock herausgearbeitet werden, arbeitet der 3D-Druck aufbauend. Im Schichtbauverfahren entstehen aus Materialpulvern die gewünschten Gegenstände Schicht für Schicht und via Aufschmelzen punktgenau entlang der vorher festgelegten Strukturen. Ein großer Beitrag zur Nachhaltigkeit, denn es entsteht kaum Materialabfall, unabhängig von der Komplexität und Filigranität eines Bauteils. Das nicht verbrauchte Grundmaterial, das im Aufbauprozess als Stütze fungiert, kann für einen nächsten Druck wieder verwendet werden. 

Gleiches gilt für das Rapid Prototyping, eines der ersten und nach wie vor wichtigsten Anwendungsgebiete für diverse AM-Verfahren. Wer entwicklungsbegleitend ein Musterbauteil benötigt, tut gut mit der Wahl des 3D-Drucks. Auf diese Weise lassen sich Prototypen nämlich schnell und ohne Materialverschwendung realisieren. Im Entstehungsprozess neuer oder optimierter Bauteile sind Modelle unverzichtbar. Nur so sind eventuelle Fehler oder nötige Verbesserungen erkennbar. Auf herkömmliche, abtragende Weise entsteht dabei viel Materialabfall. Mithilfe von AM-Methoden dagegen kaum, unabhängig davon, wie komplex das Bauteil ist. Noch dazu sind die entstandenen Prototypen je nach Materialwahl voll belastbar, können also unter realen Bedingungen getestet werden. 

Der deutlich geringere Anfall von Materialabfall ist nicht der einzige Nachhaltigkeits-Pluspunkt der additiven Fertigung. Bei vielen Produkten kommt irgendwann der Zeitpunkt, an dem Teile verschleißen oder kaputtgehen. Oft heißt es dann: wegwerfen und neu kaufen oder reparieren lassen, was selten günstig ist und noch seltener schnell geht. Mit dem 3D-Druck lassen sich zielgenau und bedarfsgerecht Ersatzteile in kurzer Zeit anfertigen – die Produkte selbst werden so also langlebiger. 

Die additive Fertigung arbeitet mit verschiedenen Materialien – Metallen sowie Kunststoffen. Nicht alle Werkstoffe eignen sich, da die Grundmaterialien für einen 3D-Druck als Pulver oder in Form von Filamenten schmelzbar sein müssen. Im Anschluss an den Schichtaufbau müssen die gewählten Materialien die gewünschten Eigenschaften für die zugedachte Verwendung vorweisen können. 

Bei der Materialwahl spielt zunehmend der Nachhaltigkeitsgedanke eine große Rolle. Gerade Kunststoffe sind hier allerdings problematisch. Vermehrt werden daher Forschungen und Anstrengungen betrieben, AM-fähige Kunststoffe zu entwickeln, die aus nachhaltiger Rohstoffgewinnung und/oder biologisch abbaubar sind. 

Vielversprechend und bereits für einige Anwendungsgebiete wie Geschirr verwendet sind Polymere auf Basis von Maisstärke oder Zuckerrohr (PMA). Als weitere aussichtsreiche Kandidaten gelten PHA (Polyhydroxyalkanoate; auf Basis spezieller Bakterien) und FLAM (fungal like additive material), das fast identische Eigenschaften wie Polyurethanschaum aufweist. Diese beiden AM-fähigen Materialien sowie weitere Biokunststoffe sind allerdings noch nicht marktreif bzw. nur sehr teuer und schwer erhältlich. 

Der Weg in Richtung nachhaltige 3D-Druck-Materialien ist längst schon eingeschlagen. Es bleibt spannend, was sich hier in den nächsten Jahren und Jahrzehnten tun wird!