Laut einer Studie des Beratungsinstituts Ampower wuchs der globale Markt für den Metall- und Polymer-3D-Druck von 2020 auf 2021 trotz Coronakrise um 16,2 % von 7,17 Milliarden Euro auf 8,33 Milliarden Euro. Für das Jahr 2026 wird sogar mit einem Anstieg von 18,2 % im Vergleich zu 2021 und einem Gesamtvolumen von 19,23 Milliarden Euro gerechnet.* Ampower (2022): Additive Manufacturing Report (abgerufen am: 21.03.2023). Damit ist auch zu erwarten, dass die additive Fertigung in den kommenden Jahren immer häufiger zum Einsatz kommen wird. Deshalb ist es ebenso wichtig, den Einsatz der additiven Fertigung hinsichtlich der Ressourceneffizienz zu verbessern.

Technologien

Wie bereits beschrieben, sind die Technologien der additiven Fertigung vielfältig. Aus diesem Grund werden nachfolgend Fertigungstechnologien vorgestellt, die laut Statista 2022 am häufigsten zum Einsatz kamen.* Statista (2022): Meistgenutzte 3D-Druck-Technologie 2021 | Statista (online), 2022 (abgerufen am: 13.12.2022).

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Die Werkstoffwahl bei der additiven Fertigung hat einen wesentlich Einfluss auf die ökologischen und ökonomischen Ergebnisse.  Additive Verfahren sind meist auf ein enges Spektrum an verwendbaren Materialien spezialisiert, wobei Bauteil und Produkteigenschaften stark durch diese Materialien definiert werden.  Gegenwärtig kommen vor allem bei Druckern, die mit Kunststoff-Filamenten arbeiten, noch viele Materialien zum Einsatz, die ursprünglich nicht ausschließlich für additive Fertigungsverfahren entwickelt wurden, sondern auch im Spritzgussbereich verwendet werden können. Verschiedene Forschungsvorhaben, aber ebenso Unternehmen arbeiten an neuen Materialien, die z. B. den Rezyklateinsatz steigern oder biologische Materialien verarbeitbar machen.* Faludi, J. e. a. (2018): Novel Materials Can Radically Improve Whole-System Environmental Impacts of additive Manufacturing (abgerufen am: 08.08.2024).

Um die Materialeffizienz bei additiven Fertigungsverfahren aus Sicht der Ressourceneffizienz zu verbessern, sollten alle Lebenszyklusphasen eines Produkts bzw. Materials berücksichtigt werden.

Gutes-Praxis-Beispiel: Recycling von Titanpulver in der additiven Fertigung

Im Bereich der additiven Fertigung geht nur ein kleiner Teil des eingesetzten Titanpulvers in die gefertigten Teile ein (20 – 40 %). Dabei kann das Titanmetallpulver lediglich begrenzt wiederverwendet werden, bevor es durch Kontamination oder schlechtere Qualität, bedingt durch den Druckprozess, beeinträchtigt wird. Das derzeit meist mit dem Kroll-Prozess produzierte Titanmetall ist energieintensiv, klimaschädlich und teuer.

Ein amerikanisches Unternehmen bietet nun eine Lösung, um die genannten ökologischen und ökonomischen Herausforderungen zu reduzieren. Diese Technologie ermöglicht die Herstellung von Titanpulvern aus fast jeder Form von Titan oder Titanlegierungsabfall. Der innovative Prozess nutzt konventionelle Pulvermetallurgie-Verarbeitungsschritte, um die Größe der Partikel zu kontrollieren, Legierungselemente hinzuzufügen und sicherzustellen, dass das Ergebnis hochwertiges Titanpulver ist. Dabei wird der Sauerstoffgehalt von Titanpulvern auf ein Niveau reduziert, das industriellen Anforderungen entspricht. Der Prozess verwendet Wasserstoff und Magnesium, um Titan(II)-oxid zu destabilisieren, wodurch die Reduktion von Titan(IV)-oxid begünstigt wird. Dies ermöglicht eine direkte Reduktion und Entfernung von Sauerstoff aus Titan(IV)-oxid, sodass Titandihydrid gebildet wird. Titandihydrid wird anschließend durch branchenübliche Verfahren zu Titanmetall weiterverarbeitet. Der Prozess hat eine sehr geringe Energieintensität, was eine kostengünstige und ressourceneffiziente Produktion von Titanpulvern ermöglicht.* IperionX (2023): The Hydrogen Assisted Metallothermic Reduction Pro-cess (abgerufen am: 21.03.2023).

Innovation: Binder Jetting mit Reststoffen

Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen an den Technischen Universitäten Freiberg, Chemnitz und Dresden haben ein Projekt gestartet, bei dem lokale Reststoffe zu Werk- und Wertstücken weiterverarbeitet werden sollen. Im entwickelten Reallabor ist es für interessierte Unternehmen möglich, die Technologien des Binder Jettings auszuprobieren, ohne in eigene Anlagen investieren zu müssen.

Da das Binder Jetting ein pulverbasiertes 3D-Druckverfahren ist, liegt der Fokus darauf, Pulver aus Reststoffen zu entwickeln, das eine akzeptable Fließfähigkeit für den Schichtauftrag garantiert. Das Verfahren eignet sich für den Einsatz von Reststoffen besonders, weil diese häufig in Form von kleinen Partikelgrößen wie Spänen oder Stäuben anfallen und damit leicht in Pulver umgewandelt werden können.

Zu Beginn werden die mitgebrachten Reststoffe hinsichtlich der Verteilung der Partikelgrößen und des Feuchtigkeitsgehalts untersucht. Sofern notwendig, wird das Material anschließend getrocknet und dann durch Mahlen und Sieben aufbereitet. Damit konnten bereits Objekte aus Obstkernen, Papierfasern oder Muschelkalk gedruckt werden. Auch hydrophobe Eigenschaften können beispielsweise durch die Nachbehandlung mit Bienenwachs auf natürliche Weise garantiert werden.* Vogel Communications Group GmbH & Co. KG (2022a): 3D-Druck als potenzielles Upcycling von Reststoffen (abgerufen am: 21.03.2023).

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Bisher fehlen in additiven Fertigungsprozessen Standardisierungen bei der Messung und Berichterstattung des Energieverbrauchs, wodurch bspw. eine Vergleichbarkeit der Druckverfahren erschwert wird.* May, G. und Psarommatis, F. (2023): Maximizing Energy Efficiency in Additive Manufacturing: A Review and Framework for Future Research. (abgerufen am: 08.08.2024).

Gleichwohl gelten für 3D-Drucker die gleichen Grundprinzipien zur Verbesserung der Energieeffizienz wie bei anderen traditionellen Fertigungsarten. Dazu zählen unter anderem die Prinzipien:* Smartfactory.blog (2022): 7 Tipps zum Energiesparen in der Fertigung (abgerufen am: 08.08.2024).

• Vermeidung: Nicht benötigte Maschinen sollten während längerer Stillstandzeiten ausgeschaltet werden, um unnötigen Energieverbrauch zu vermeiden.
• Erfassung: Um allgemeine Verbesserungsmaßnahmen durchführen zu können, ist es im ersten Schritt wichtig zu wissen, welche Objekte wann wie viel Energie benötigen.
• Identifikation: Nach der Erfassung des Energieverbrauchs sollten „Energiefresser“ identifiziert und ausgetauscht oder dem Einsatzgebiet angepasst werden.
• Indirekte Verbräuche kennen: Neben den Maschinen benötigt auch die Infrastruktur viel Energie. Die Überprüfung von Beleuchtungen, Heiz- und Kühlsystemen sowie der Druckluftinfrastruktur ist deshalb essenziell.
• Wartung: Werden Werkzeuge in Maschinen regelmäßig überprüft, können verschlissene Komponenten frühzeitig erkannt werden, wodurch sich auch die Lebensdauer der Maschinen erhöhen lässt. 

Gutes-Praxis-Beispiel: Energieeffiziente Prozessluft-Trocknungsanlage

Beim selektiven Laserschmelzen kann eine zu hohe Luftfeuchtigkeit zu ungewollter Oxidation des Metallpulvers führen und die Qualität des Endprodukts sowie die Prozessstabilität gefährden. Für die Trocknung von Prozessluft in Produktionsräumen müssen bestimmte Bedingungen erfüllt sein. Diese umfassen Temperaturen zwischen 19 und 22 °C sowie eine regulierbare relative Luftfeuchtigkeit von 10 bis 40 %, die je nach Art des verwendeten pulverförmigen Metalls konstant gehalten werden muss. Gängige Methoden wie die Kondensation des Wasserdampfs reichen in vielen Fällen deshalb nicht aus. 

Eine effektive Methode zur Entfeuchtung der Luft in Produktionsräumen ist die Verwendung von Rotationsentfeuchtern. Die Prozessluft-Trocknungsanlage des Dresdner Unternehmens ULT Dry-Tec ist ein modulares und energieeffizientes Gerät, das eine hohe Entfeuchtungsleistung bietet und mit regelbaren Ventilatoren und integrierter Wärmerückgewinnung ausgestattet ist. Die Prozessluft-Trocknungsanlage verfügt über ein effektives Wärmerückgewinnungssystem, das bis zu 35 % der Energie einspart, die zur Erhitzung des Luftstroms im Desorptionskreislauf benötigt wird. Dabei wird die Wärme aus dem Abluftstrom und einem Teil der enthaltenen Kondensationswärme gewonnen und direkt in den angesaugten Regenerationsluftstrom geleitet. Das ULT-Dry-Tec-Modulkonzept ermöglicht es Betreibenden, eine auf ihre spezifischen Anforderungen zugeschnittene Anlage aus standardisierten Anlagenteilen zusammenzustellen.* Konradin-Verlag Robert Kohlhammer GmbH (2020): Klimatisierung und Trocknung in der Produktion (abgerufen am: 08.08.2024).

Gutes-Praxis-Beispiel: Additiv gefertigtes rekuperatives Brennersystem

Das Forschungsprojekt AdReku hat einen additiv gefertigten Rekuperatorbrenner entwickelt, er erreicht einen Wirkungsgrad von über 85 % und ist um rund 20 % effektiver als herkömmliche Brenner. Sowohl das Gasmischsystem als auch der Wärmeübertrager sind im 3D-Druck hergestellt. Es ermöglicht eine effektivere Vermischung von Brenngasen und Luft und reduziert somit die Entstehung von Stickoxiden bei der Verbrennung. Das Brennersystem kann auch auf höheren Temperaturen betrieben werden, was eine bessere Wärmeübertragung ermöglicht. Messungen des GWI haben gezeigt, dass das neue Brennersystem effektiver und energiesparender als herkömmliche Anlagen ist. Eine Vorwärmtemperatur von 1.000 °C könnte im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen mit einer Vorwärmtemperatur von 600 °C bis zu 12 % Energie und im Vergleich zu Kaltluftbrennern sogar bis zu 50 % einsparen. Neben einer veränderten Struktur wurde der Rekuperator aus drei verschiedenen Materialien (Keramik, Edelstahl und Kupfer) zusammengesetzt. Die Keramik wird dabei in Bereichen genutzt, wo die Temperaturen am höchsten sind, während Edelstahl und Kupfer in Bereichen mit niedrigeren Temperaturen verwendet werden. Die Wärmeleitfähigkeit verbessert sich von Material zu Material und die Wärmeübertragung wird dadurch effektiver.* Projektträger Jülich | Forschungszentrum Jülich GmbH (2020): Rekuperatives Brennersystem aus dem 3D-Drucker senkt Emissionsausstoß (abgerufen am: 08.08.2024).