Die industrielle Produktion umgestalten: Nachhaltigkeit mittels additiver Fertigung

Das Thema Nachhaltigkeit ist in den letzten Jahren zu einem immer wichtigeren Aspekt der industriellen Produktion geworden. Da die Welt mit den Herausforderungen des Klimawandels und der Ressourcenknappheit zu kämpfen hat, werden innovative Lösungen benötigt, um die Umweltauswirkungen zu minimieren. Eine dieser vielversprechenden Lösungen ist die additive Fertigung, allgemein bekannt als 3D-Druck. Der 3D-Druck hat das Potenzial, die Fertigungslandschaft zu revolutionieren, denn er bietet ungeahnte Vorteile in Bezug auf Nachhaltigkeit, Abfallvermeidung und Effizienzsteigerung. Insbesondere der 3D-Fließbanddruck, der zur Automatisierung und damit zur Validierung von AM als vollwertiges Fertigungsmedium beiträgt, ist eine vielversprechende Innovation auf diesem Gebiet. In diesem Blogbeitrag werden wir in die Welt der additiven Fertigung eintauchen und untersuchen, wie insbesondere 3D-Fließbanddrucker den Weg für eine grünere und nachhaltigere Zukunft ebnen.

Die Kraft additiver Fertigung entfesseln

Bei der additiven Fertigung handelt es sich um einen transformativen Fertigungsprozess, bei dem dreidimensionale Objekte durch Aufschichten von Materialien auf der Grundlage eines digitalen Entwurfs hergestellt werden. Im Gegensatz zur traditionellen subtraktiven Fertigung, bei der Materialien weggeschnitten oder abgeschliffen werden, um die gewünschte Form zu erhalten, werden Objekte bei der additiven Fertigung Schicht für Schicht aufgebaut. Dieses kontrollierte Hinzufügen von Material führt zu minimaler Abfallerzeugung. Durch den Einsatz dieser Spitzentechnologie können Hersteller komplexe Komponenten und Produkte effizienter und nachhaltiger herstellen und viele der mit herkömmlichen Fertigungsmethoden verbundenen Einschränkungen beseitigen. Bislang macht der 3D-Druck jedoch nur einen mikroskopisch kleinen Teil der gesamten Fertigungswelt aus. Im Jahr 2019 machte er gerade einmal 0,047 %* des weltweiten Fertigungsvolumens aus. Und auch wenn der Trend inzwischen weiter in Richtung additive Fertigung geht, fehlt dem 3D-Druck weiterhin die effektive Resonanz, die sein Potenzial eigentlich erfordern würde.

Der Aufstieg der 3D-Fließbanddrucker

Der 3D-Fließbanddruck könnte einen Wendepunkt in der nachhaltigen industriellen Produktion darstellen. Bei diesem 3D-Druckverfahren wird das Material kontinuierlich entlang eines gespannten Bandes aufgetragen, was die nahtlose Herstellung großformatiger Objekte ohne komplexe Montage oder Nachbearbeitung ermöglicht. Durch das direkte Auftragen des Materials fällt kein Abfall an, genau wie bei herkömmlichen FFF-Verfahren (Fused Filament Fabrication). Darüber hinaus führt der angepasste Druckwinkel natürlich dazu, dass weniger sogenannte Stützstrukturen zusätzlich gedruckt werden müssen. Diese tragen sonst zur Stabilität des Objekts im Herstellungsprozess bei. Bei kartesischen Druckern wird das Material in einem 90°-Winkel, also von oben, aufgetragen. Überhänge und komplexe Formen sind daher nur möglich, wenn eine entsprechende Basis mitgedruckt wird, die später wieder entfernt wird. Obwohl das zusätzliche Material in der Regel sehr dünn aufgetragen wird, ist es dennoch ein Aufwand und führt zu Abfall. Ebenso dauert der Druckprozess länger, wenn zusätzliche Geometrien hergestellt werden.

Spitzer Winkel für Spitzenergebnisse

Der Banddrucker trägt das Material in einem spitzeren Winkel auf, wodurch das Material besser aneinander haftet und unter anderem auch ein komplett hohler Druck möglich ist. Durch die Einsparung von Trägermaterial spart der 3D-Fließbanddrucker auch effektiv Druckzeit. Dies ist ein weiterer Vorteil gegenüber konventionellen Fertigungsmethoden und macht ihn zu einer überzeugenden Lösung für Branchen, die Nachhaltigkeit wünschen, aber nicht an der Effizienz sparen wollen.

Neben der Zeit- und Materialersparnis zeichnet sich der 3D-Fließbanddrucker auch durch eine vorzeigbare Energieeffizienz aus. Das liegt daran, dass die additive Fertigung, einschließlich des 3D-Fließbanddrucks, von Natur aus energieeffizienter ist als herkömmliche Fertigungsverfahren. Da keine kostspieligen Werkzeuge und Bearbeitungen erforderlich sind, werden der Energieverbrauch und die Kohlenstoffemissionen reduziert, was zu einem umweltfreundlicheren Produktionszyklus beiträgt.

Optimierung der Lieferkette

Additive Fertigung ist auch eine beliebte Wahl für die lokale Produktion. Mit diesen vielseitigen Maschinen können verschiedene Strukturen realisiert werden, die für Endprodukte und Prototypen kombiniert werden können. Für spezielle Komponenten wird üblicherweise ein geeigneter Zulieferer ausgewählt, der die benötigten Teile beisteuert. Bei größeren Objekten kann es sich dabei oft um eine 2-3 stellige Zahl handeln, bei der das Material für ein Produkt von verschiedenen Standorten auf der ganzen Welt geliefert wird. Das bedeutet natürlich CO2-Belastung durch lange und viele Transportwege, egal wie genau die Logistik heute geplant ist. Gerade bei kleineren Produktlinien lohnt es sich, einen oder mehrere 3D-Drucker einzusetzen, um einige Transportwege und damit verbundene Kosten zu vermeiden.

Fließbanddruck für lokale nachhaltige Serienproduktion

Ein 3D-Fließbanddrucker eignet sich besonders für eine lokale Serienproduktion. Druckaufträge können zeitnah vor Produktionsbeginn gestartet werden, und an generellen Produktionsumfang kurzfristig angepasst werden. So reagiert man leicht auf mögliche Lieferengpässe bei externen Herstellern, und spart Lagerkosten bzw. Überproduktion. Auch bei größeren Stückzahlen liefert ein 3D-Fließbanddrucker schnell und vor allem automatisch die gewünschten Objekte. Durch das durchgehende Fließband fallen gefertigte Teile einfach von der Druckfläche und machen Platz für den nächsten Druck. Mit der richtigen Software können auch verschiedene Objekte nacheinander gedruckt werden. Dies kann über eine Druckwarteschlange oder durch einen G-Code, der mehrere geslicte CAD-Modelle enthält, geschehen. Der Druck kann auch mit der Remote-Funktion gestartet werden. So kann der Druck außerdem unterbrochen und neu gestartet werden. Unterm Strich ist der Förderbanddruck eine bequeme Art, mit maximaler Flexibilität zu produzieren. Es entsteht keine Überproduktion, was wiederum eine große Materialeinsparung bedeutet.

Flexibilität im Design für mehr Nachhaltigkeit

Aufgrund der oben genannten Eigenschaften bieten 3D-Fließbanddrucker auch eine beispiellose Designfreiheit, die es den Herstellern ermöglicht, komplexe und maßgeschneiderte Komponenten zu erstellen, die mit herkömmlichen Methoden nicht machbar wären. Unter anderem ist die Möglichkeit des Hohlkörperdrucks eine echte Innovation. Selbst bei vielen Bauteilen, die im Spritzgussverfahren hergestellt werden, sind bei Hohlkörpern Einguss- oder Klebestellen unvermeidlich. Diese beeinträchtigen die Stabilität und können ein Hindernis bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen mit optimierten Eigenschaften sein. Die mit dem Fließbanddruck gewonnene Flexibilität ermöglicht optimierte Designs, die das Gewicht reduzieren, die Festigkeit erhöhen und die Gesamtleistung des Produkts verbessern, was zu einer ressourcenschonenden Produktion führt.

Bewusst ist gleich nachhaltig: Produkttreue durch Individualisierung

Insgesamt ist die Ressourceneffizienz ein großer Vorteil des 3D-Drucks. Durch die Produktion von Einzelteilen, deren Modelle digital erstellt werden, ist die Individualisierung nur ein kleiner Prozessschritt. Mit dem 3D-Druck entstehen so besonders einfach kundenspezifische Produkte. Bei dieser On-Demand-Produktion werden nur Teile erzeugt, die mit hoher Wahrscheinlichkeit abgenommen werden. Um die gewünschte Ware zu erhalten, muss der Kunde zuvor einen konkreten Auftrag platzieren. Der Kunde entscheidet sich also bewusst für den Erwerb dieses Produkts, noch bevor es hergestellt wurde. Diese Bindung, die durch Individualisierung noch verstärkt wird, ist in den meisten Fällen viel größer als bei Massenprodukten. Dies führt auch dazu, dass das Produkt vom Verbraucher besser behandelt, eventuell sogar mehrfach repariert oder gewartet und nicht achtlos entsorgt wird. Auch dieser bewusste Umgang mit Gegenständen ist ein anerkannter Weg zur Nachhaltigkeit, den der 3D-Druck direkt erfüllen kann.

3D-Fließbanddruck: Nachhaltiger Weg in die Produktionszukunft

Zusammenfassend gibt es viele Gründe, die für eine Fertigung mit 3D-(Fließband-)Druck sprechen. Er vereint weniger CO2 durch kürzere Transportwege und energieeffiziente Produktion. Weniger Materialverbrauch/-abfall durch präzisen Materialeinsatz. Bewussterer Umgang mit Konsumgütern durch Individualisierung und Optimierung. Der 3D-Druck bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten, die Produktion der Zukunft nachhaltig zu gestalten.

* Aus der Veröffentlichung “Local manufacturing and structural shifts in competition: Market dynamics of additive manufacturing. International Journal of Production Economics” von Kleer/Piller