Nachhaltigkeit und designeffiziente Form der industriellen Fertigung
Designeffiziente Form der industriellen Fertigung
Die nachhaltige Produktion von Bauteilen muss sich einer großen Anzahl von Herausforderungen stellen. Neben der hohen Genauigkeit in der Serienfertigung spielen Produktionskosten seit jeher eine große Rolle. Soll Nachhaltigkeit sowie die Schonung von Ressourcen Beachtung finden, gilt es herkömmliche Denkstrukturen aufzubrechen und neue Wege in der Produktion zu entdecken. Zur Gewinnung von Rohstoffen, aus denen spätere Produkte gefertigt werden sollen, ist meist eine große Energiemenge notwendig.
Die aufwendig gewonnenen Rohstoffe gilt es also zu schützen und sparsam weiter zu verarbeiten. Wird anschließend z.B. ein spanendes Verfahren eingesetzt, dass Material mit weiterer Energie durch z.B. Bohren, Drehen, Schleifen Honen oder Sägen abträgt, fällt Schnittgut an, in welchem sehr viel primäre Energie gebunden wurde – das Material endet nun als Abfall. Daher wurden „klassische“ Fertigungsverfahren auch als subtraktive Prozesse bezeichnet.
Zwar konnten diese Späne auch aufbereitet werden, was aber erneut Energie kostet. Eine sparsame Nutzung der Rohstoffe ist so kaum möglich. Zwischen subtraktiven Verfahren und additiven Verfahren, wie dem 3D-Druck, stehen Gussverfahren, welche durch die Komplexität in der Formenkonstruktion und Formenplanung aber nur in Großserien eine wirtschaftliche Anwendung finden. An dieser Stelle punktet der SLS-3D-Druck, da er als „additives“ Fertigungsverfahren nur jene Rohstoffe verschweißt und damit nutzt, die für das spätere Bauteil gebraucht werden.
Designoptionen
Ebenso werden im SLS-3D-Druck Designoptionen nutzbar, die in der klassischen Fertigung und bei klassischer Werkzeugführung oder bei herkömmlichen Gussformen praktisch unmöglich waren. Der größte Gewinn im Punkto Nachhaltigkeit im SLS-3D-Druck liegt in der design-optimierten Erschließung von Produktformen, welche Stabilität und Nutzerfreundlichkeit mit geringem Werkstückgewicht vereint.
Damit entfallen massive Strukturen und mit ihnen der hohe Energieaufwand in Materialerzeugung sowie Materialverarbeitung. Möglich wird diese Optimierung durch konsequente Struktur- und Topologieoptimierung. Deshalb werden vermehrt neue Produkte unter den Prämissen dieser neuen Konstruktionsrichtlinien entworfen. Dies führt in Tests zu einer Reduktion des Produktgewichts von 65%.
Ermöglicht wird dieser Quantensprung in der industriellen Fertigung durch so genannte Topologieoptimierungssoftware. Nur so sind die Möglichkeiten aus CAE-Software, also Softwarelösungen, die Belastungen aus Zug und Druck materialkonform simulieren können, mit 3D-Fertigungsverfahren kombinierbar.
Bewiesen wurde dies an einem Beispiel in einer Neukonstruktion eines Motors, welcher statt vormals 855 Teilen nur noch aus 12 Bauteilen bestand und trotzdem alle Funktionalitäten seines Vorgängers aufwies.
Begriffsbestimmung
Generell wird unter dem Begriff des 3D-Drucks die additive Fertigung mittels verschiedenster Materialien verstanden. So kann sowohl Metall im 3D-Druck verarbeitet werden als auch Kunststoff. Im besten aller Fälle kommt im SLS-3D-Druck ein nachhaltiger Kunststoff zum Einsatz, der nicht aus Erdöl, sondern aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen wird.
Unter der Bezeichnung Polyamid 11 (PA11) gibt es ein einzigartiges Hochleistungs-Polyamid auf Pflanzenbasis, welches aus nachwachsenden Rizinussamen gewonnen wird. Seine chemischen und physikalischen Eigenschaften entsprechen denen traditioneller Polyamide, weshalb Anbieter von SLS-3D-Druckern zukünftig die Verwendung dieses Materials vorsehen sollten.
Zusammenfassung
Nachhaltigkeit im 3D-Druck ist eine Gemeinschaftsaufgabe aus Herstellern und Nutzern. Denn wo nur Nachhaltigkeit allein gefordert wird, bleiben die zu lösenden Aufgaben an Technologie und Innovation im wirtschaftlichen Niemandsland zwischen Produzenten und Anwender auf der Strecke. Gegenwärtig stehen additive Fertigung und subtraktive Verfahren in Großserienproduktionen in ihrem Energieverbrauch auf gleichem Niveau.
Wird aber berücksichtigt, dass subtraktive Verfahren jahrzehntelange Optimierungszyklen durchlaufen haben und die Chancen des 3D-Drucks erst am Beginn ihrer Nutzung stehen, so wird mittel- und langfristig in einer durch Nachhaltigkeit und Umweltbewusstsein geprägten Industriewelt der 3D-Druck die Führung übernehmen, da kleinere und individuellere Serienprodukte passgenauere Lösungen für Kunden liefern, die ihre Investitionen dadurch länger nutzen können. Nachhaltig zu produzieren ist aber bereits heute möglich.
Better Basics Laborbedarf produziert unter Nutzung von 100% Ökostrom. Die entstehende Abwärme aus dem SLS-3D-Druckprozess wird auch zur Beheizung der Büroräume genutzt, wodurch keine Energie verschwendet wird.