Materialverbrauch senken: Dank additiver Fertigung nachhaltiger produzieren

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Unternehmen räumen der Nachhaltigkeit immer mehr Priorität ein. Dies trifft auch auf den Produktionssektor zu. Hier wird der Nachhaltigkeitsaspekt vor allem durch Anforderungen der Endkunden und neue Regularien vorangetrieben. Wie die additive Fertigung eine effiziente und umweltfreundliche Lösung für Produktions- und Lieferketten bieten kann.

Additive Fertigung bietet eine völlig neue Art der Produktgestaltung, die die Erstellung Topologie-optimierter Designs ermöglicht. Durch eine solche Neugestaltung kann ein 3D-gedrucktes Bauteil die gleichen Anforderungen erfüllen und oft sogar die Leistung im Vergleich zum Originalteil verbessern, während gleichzeitig weniger Material benötigt wird, der Materialverbrauch sinkt.

Unternehmen können beispielsweise auch eine aus mehreren Teilen bestehende Baugruppe als Einheit drucken (Teilekonsolidierung). Dies führt zu einem geringeren Material- und Energieverbrauch bei der Herstellung im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren und reduziert den Zeitaufwand, da weniger Teile hergestellt und montiert werden müssen. Darüber hinaus kann die Teilekonsolidierung leistungsstärkere Teile mit erhöhter Haltbarkeit bieten.

Dank additiver Fertigung den Materialverbrauch reduzieren

Bei der Produktion achten Hersteller grundsätzlich auf zwei wesentliche Faktoren: Materialverbrauch und Energieeffizienz. Bei traditionellen Herstellungsverfahren fallen immer Materialabfälle an. Beispielsweise beginnen die Hersteller bei der subtraktiven Fertigung wie CNC mit einem Block aus festem Material und entfernen Material, um eine endgültige Form zu erreichen. Bei additiver Fertigung ist der Materialeinsatz viel effizienter.

Fused Deposition Modeling (FDM) ist ein gutes Beispiel. Hierbei werden Teile Schicht für Schicht aufgebaut, wobei nur das benötigte Material hinzugefügt wird, sodass außer den Stützstrukturen kein Materialabfall entsteht. Andere additive Fertigungstechnologien, die Pulver oder Harze verwenden, funktionieren auf andere Weise. Bei pulver- und harzbasierter additiver Fertigung wird eine vollständige Materialschicht aufgebaut, die dann je nach verwendeter Technologie mit einem Laser verschmolzen oder einem Bindemittel bearbeitet wird. Nachdem die erste Materialschicht bearbeitet ist, wird eine neue Vollschicht hinzugefügt, bis das Teil fertig ist. Unverarbeitetes Pulver oder Harz kann dann für den nächsten Druck wiederverwendet und somit Ressourcen geschont werden.

Umgekehrt werden häufig Stützstrukturen und Testdrucke benötigt, insbesondere für kompliziertere Teile. Üblicherweise werden Testteile auf dem Weg zur optimierten Aufbauorientierung und zu Druckparametern verworfen. Entwicklungen in der Simulation ermöglichen es aber inzwischen, potenzielle Druckprobleme vorherzusagen und so den Ausschuss in der Produktion massiv zu reduzieren.

Materialverbrauch: Wie energieeeffizient ist additive Fertigung?

Aufgrund individueller Anwendungsfälle ist die Antwort darauf nicht einfach. Unterschiede in Maschinen-, Produkt- und Prozesseigenschaften erschweren die Vergleichbarkeit von traditionellen Verfahren und additiver Fertigung. Im Vergleich zu subtraktiven Verfahren kann additive Fertigung energieeffizienter sein. Im Vergleich zum Spritzgießen wird jedoch allgemein anerkannt, dass der Energieverbrauch bei dieser Fertigungsmethode aufgrund einer viel längeren Produktionszeit pro Teil höher ist. Allerdings müssen auch andere Faktoren wie der Energieverbrauch bei der Herstellung der Form, das Produktionsvolumen und die Materialeffizienz berücksichtigt werden. Bei geringeren Stückzahlen ist additive Fertigung daher häufig die energieeffizientere Option.

Obsoleszenz-Risiko in der Lagerhaltung reduzieren

Neben der Produktion bietet additive Fertigung auch Nachhaltigkeitsvorteile in der Lieferkette. Andere Herstellungsverfahren erfordern häufig eine Mindestlosgröße, um die Produktion kosteneffizient zu gestalten, was häufig zu Überproduktion und unnötiger Lagerhaltung von Teilen führt. Dies erhöht nicht nur die Lagerkosten, sondern auch das Obsoleszenz-Risiko, wenn die Teile nicht verkauft werden. Für Unternehmen, die Ersatzteile anbieten, kann dies ein großes Problem darstellen. Unternehmen sind in der Regel an Lieferanten gebunden, die oft hohe Mindestbestellmengen vorschreiben, selbst wenn nur wenige Ersatzteile benötigt werden.

Mit additiver Fertigung ist es möglich, nur die Anzahl der Bauteile zu produzieren, die benötigt werden. Es müssen keine größeren Lagerbestände angelegt werden, da die Teile nach Bedarf produziert werden können. Das Projekt „3D4U“ von Replique und Miele zeigt dies gut. Hier werden Ersatzteile, die der Endkunde über den Onlineshop von Miele bestellt, auf Abruf gedruckt und direkt an den Kunden versandt. Die Gesamtlieferzeit beträgt fünf Arbeitstage einschließlich Versand und zeigt, dass additive Fertigung erschwingliche Teile in kurzer Zeit anbieten und gleichzeitig Verschwendung vermeiden kann.

Verkürzte Transportwege reduzieren den CO2-Ausstoß

Die Einführung von additiver Fertigung hat zu einer Verlagerung von der linearen Fertigung mit zentralen Verteilerstellen hin zu einem dezentralisierten Netzwerk von Lieferanten, Produktionspartnern und Kunden geführt. Ermöglicht wird dies durch geringe Investitionskosten, da eine Maschine eine Vielzahl von Teilen produzieren kann. Die Minimierung der Transportvorgänge wirkt sich positiv auf die Umwelt aus, da der CO2-Fußabdruck von jedem Bauteil reduziert wird. Die Teile werden lokal, in der Nähe des endgültigen Bestimmungsortes, produziert und müssen so nicht mehr über weite Strecken transportiert werden. Dies verkürzt auch die Vorlaufzeit, was besonders in Zeiten von unterbrochenen Lieferketten von Vorteil ist.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass additive Fertigung als Teil eines Print-on-Demand-Modells den Energieverbrauch, die Materialverschwendung und den CO2-Fußabdruck eines Unternehmens reduzieren kann. Dies hat auch Vorteile für die Funktionsfähigkeit der Lieferkette. Herkömmliche Lieferketten erfordern mehrere Schritte, von denen jeder einzelne störungsanfällig ist, während additive Fertigung die Lieferkette verkürzt und widerstandsfähiger macht.

Der Autor Max Siebert ist CEO und Mitgründer des BASF-eigenen Ventures Replique.

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