Nachhaltigkeit und Recycling in der additiven Fertigung: Fortschrittliche Strategien für eine kreislauforientierte Zukunft
Einführung in nachhaltige Materialien im 3D-Druck
Die additive Fertigung durchläuft eine tiefgreifende Transformation hin zu nachhaltigeren Praktiken, mit besonderem Fokus auf recycelte und biologisch abbaubare Materialien. Das Virtucycle®-Programm von Arkema ist ein konkretes Beispiel für eine Kreislaufwirtschaft, die auf Hochleistungspolymeren angewendet wird: Das Unternehmen fungiert als Vermittler zwischen denen, die ihre Polymere recyceln möchten, und denen, die teilweise recycelte Materialien erwerben möchten, wobei der Schwerpunkt auf Polyamid-11- und -12-Harzen, PEBA-Elastomeren und PVDF-Fluorpolymeren liegt. Es sammelt Spritzguss- oder Extrusionsschrott, Pulver, Teile und Granulate und garantiert einen zertifizierten Mindestgehalt an recyceltem Material und Eigenschaften, die denen von Neumaterialien ähneln.
Die Nachhaltigkeit in der AM betrifft nicht nur die eingesetzten Materialien, sondern auch die Herstellung der Drucker. Nexa3D hat die Modelle XiP und XiP Pro unter Verwendung von recycelbaren Materialien wie Aluminium entworfen, um Verbrauchsmaterialien zu reduzieren; über 80 % der Energie werden direkt für die Herstellung der Komponenten eingesetzt, was eine hohe Energieeffizienz gewährleistet.
Recyclingverfahren für Polymere in additiven Prozessen
Das Recycling von thermoplastischen Pulvern ist eine erhebliche wirtschaftliche und ökologische Herausforderung. JawsTec, ein Dienstleister für die Fertigung mit Sitz in Idaho, hat in vier Nexa3D QLS 230 SLS-Drucker investiert, die für den Betrieb mit einer Mischung aus Neu- und Recycletpulver ausgelegt sind. Das Unternehmen hat über zwei Tonnen Pulver vor der Deponie bewahrt und bis zu 30 % des zuvor für die Entsorgung vorgesehenen Gesamtmaterials recycelt.
Der Prozess verwendet ein optimales Verhältnis von 80 % Neu- und 20 % Recycletpulver, das experimentell bestimmt wurde, um die Verwendung von recyceltem Material zu maximieren, ohne die Qualität zu beeinträchtigen. Die ausschließliche Verwendung von Recycletpulver würde die Komponenten so fragil wie Papier machen; mit dem optimierten Verhältnis produziert JawsTec hochwertige Teile für die Freizeit-, Automobil- und Agrarmärkte und verkauft sie dank der Materialersparnis zu niedrigeren Preisen.
Das QLS 230-System mit einem Bauraum von 9x9x9 Zoll und Zyklen von etwa 24 Stunden inklusive Kühlung ermöglicht es, einen Build pro Tag abzuschließen, was deutlich schneller ist als bei traditionellen SLS-Systemen, die allein für die Kühlung mehrere Tage benötigen.
Lebenszyklusanalyse (LCA) in AM-Prozessen
Die LCA ist ein grundlegendes Instrument zur Messung der Umweltauswirkungen der additiven Fertigung. Arkema hat die Rezertifizierung von SCS Global Services für über 26 Materialreferenzen erhalten, mit einem recycelten Gehalt von 30 % bis 95 % und Eigenschaften, die denen von Neumaterialien analog sind.
Der Ansatz von Arkema umfasst eine detaillierte Analyse von Rohstoffen und recycelten Polymeren durch spezialisierte Wissenschaftler. Das Virtucycle®-Programm unterstützt geschlossene Kreisläufe, in denen Artikel in ähnliche Produkte recycelt werden, und offene Kreisläufe, in denen Materialien in verschiedene Anwendungen umgewandelt werden, was oft weitreichendere Auswirkungen auf die globale Kreislaufwirtschaft hat.
Innovationen bei wiederverwendbaren und biologisch abbaubaren Materialien
Innovationen erweitern die Möglichkeiten des additive manufacturing (AM). Arkema arbeitet mit dem Schweizer Hersteller On an der weltweit ersten Schuh aus bio-basiertem Polyamid 11 zusammen, die vollständig recycelbar ist und im monatlichen Abonnement verkauft wird. Hergestellt mit Rilsan® Polyamid 11 Bio-Circular, das aus nachhaltigen Rizinusölsaaten gewonnen wird, schließt der Schuh den Lebenszyklus des Produkts.
Materialise, Marktführer bei 3D-gedruckten Brillen, hat sich verpflichtet, den eigenen CO2-Fußabdruck bis 2025 um 50 % zu reduzieren. Der nicht mehr verwendbare Pulver wird an den Standort Agiplast von Arkema geschickt, um zu Spritzguss-Pellets verarbeitet zu werden. Arkema liefert seit über zwanzig Jahren langkettige Polyamide für AM.
Creality testet ein Desktop-Recycling-System für Filament für den Heimgebrauch: Creality Filament Maker M1 und Shredder R1 befinden sich in der Engineering-Phase. Das System, das als geschlossener Kreislauf konzipiert ist, mahlt, trocknet, extrudiert und wickelt das Filament auf Spulen und unterstützt acht Materialien: PLA, PETG, ABS, ASA, PA, PC, TPU und PET.
Industriestrategien zur Minimierung von Produktionsabfällen
Strategien zur Reduzierung von Abfällen werden immer ausgefeilter. Rapid Prototyping, ein ungarisches Unternehmen, das auf Formen für Yachten spezialisiert ist, hat den 3D-Druck eingeführt, um Abfälle drastisch zu reduzieren. Bei der traditionellen Bearbeitung wurden über 50 % des Materials durch das Fräsen von Schaumblöcken ohne Recyclingmöglichkeit verschwendet; durch den Druck von Blöcken in fast Endform wurden die Abfälle auf ein Minimum reduziert.
Das Unternehmen hat die Kreislaufwirtschaft weiterentwickelt, indem es die Formen für neue Projekte wiederverwendet hat. Die 2022 mit 5.000 kg recyceltem PETG hergestellte Form für einen 55-Fuß-Rumpf wurde zerkleinert, zu Pellets wiederverarbeitet und verwendet, um eine neue 28-Fuß-Form zu drucken. Rapid Prototyping hat eigene Maschinen für Zerkleinerung und Recycling entwickelt, die mit Solarenergie betrieben werden.
CNPC Powder und Brose haben eine Partnerschaft eingegangen, um nachhaltige kreislauforientierte Produktion in der Automobilindustrie zu fördern. Die Metallschrottteile aus den chinesischen Brose-Linien werden in Eisenpulver von CNPC für AM umgewandelt, wobei fortschrittliche Sphäroidisierungstechnologien von AMP und PS eingesetzt werden.
Fallstudien: Umsetzung der Nachhaltigkeit in Schlüsselbranchen
Im Automobilsektor verwandelt die Partnerschaft CNPC-Brose Produktionsabfälle in hochwertiges Material. Das Metallpulver Green Steel, das vollständig aus Spritzgussabfällen hergestellt wird, behält die chemische Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften von konventionellem Bandstahl bei, erfüllt die Kompatibilitätsanforderungen der Maschinen und unterstützt die Kreislaufwirtschaft.
Im Bereich der Wasserstoffenergie hat das Katalanische Energieforschungsinstitut (IREC) das Merce Lab ins Leben gerufen, eine Pilotanlage, die keramisches 3D-Druckverfahren für Wasserstofftechnologien einsetzt. Finanziert von H2B2 konzentriert sich das Projekt auf Festoxidzellen (SOC), Keramiken, die als Brennstoffzellen und Elektrolyseure arbeiten. Die additive Fertigung reduziert den Materialeinsatz und ermöglicht leichte und kompakte Designs, wobei die Kosten auf 880 €/kW geschätzt werden.
JawsTec hat die Produktion fast verdoppelt und beliefert die Freizeit-, Automobil- und Agrarmärkte. Nachhaltigkeitsinitiativen erhöhen oft die Kosten, aber das Recycling von Pulvern reduziert den CO2-Fußabdruck und generiert finanzielle Einsparungen.
Zukunftsperspektiven und Empfehlungen für die AM-Branche
Die Branche erzielt bedeutende Fortschritte in Richtung nachhaltiger Praktiken, aber der Weg ist noch lang. Die vorgestellten Lösungen zeigen, dass es möglich ist, Nachhaltigkeit in Prozesse zu integrieren und dabei wirtschaftliche Vorteile zu erzielen, und widerlegen den Mythos, dass Umweltschutz nur Kosten verursacht.
Die wichtigsten Empfehlungen sind: die Annahme systematischer Ansätze, die Materialien, Energieeffizienz und Produktionsprozesse berücksichtigen; die Inanspruchnahme unabhängiger Zertifizierungen, um die Qualität und Rückverfolgbarkeit recycelter Materialien zu gewährleisten; und die Förderung von Kooperationsmodellen zwischen Lieferanten und Kunden, um effektive Kreislaufwirtschaften aufzubauen.
Die Automatisierung und die Verringerung der Abhängigkeit von spezialisiertem Fachpersonal machen die Technologien zugänglicher und skalierbarer. Strategische Partnerschaften zwischen Akteuren der Lieferkette beschleunigen die Einführung zirkulärer Praktiken und verwandeln Abfälle in wertvolle Ressourcen.
Die Zukunft einer nachhaltigen AM erfordert kontinuierliche Investitionen in F&E, die Standardisierung von Recyclingprozessen und sektorübergreifende Zusammenarbeit, um ein wirklich zirkuläres Ökosystem zu schaffen, das Abfall minimiert und die Wiederverwendung von Materialien maximiert.
articolo scritto con l'ausilio di sistemi di intelligenza artificiale
Fragen & Antworten
- Was ist das Ziel des Virtucycle®-Programms von Arkema und welche Materialien umfasst es?
- Virtucycle® schließt die Lücke zwischen denen, die Hochleistungspolymere recyceln wollen, und denen, die teilweise recycelte Materialien kaufen. Es konzentriert sich auf Polyamide 11 und 12, PEBA-Elastomere und Fluorpolymere PVDF und garantiert mindestens 30 % zertifizierten recycelten Gehalt.
- Wie hat JawsTec das SLS-Pulverrecycling optimiert, ohne die Qualität zu beeinträchtigen?
- JawsTec verwendet eine experimentell definierte Mischung aus 80 % Neupulver und 20 % recyceltem Pulver. Dieses Verhältnis erhält die Festigkeit und Oberflächenqualität der Teile und vermeidet die Sprödigkeit, die bei ausschließlich recyceltem Pulver auftreten würde, und hat über 2 Tonnen Pulver vor Deponien bewahrt.
- Wie hat Rapid Prototyping die Abfälle bei der Herstellung von Yacht-Formen reduziert?
- Durch das Drucken von Blöcken in fast Endform wurde der Abfall von 50 % auf Mindestwerte reduziert. Die 55-Fuß-PETG-Form wurde nach der Nutzung zerkleinert, pelletiert und für eine 28-Fuß-Form wiederverwendet, wodurch der Kreislauf mit solarbetriebenen Maschinen geschlossen wurde.
- Cosa dimostra la partnership CNPC-Brose nel settore automotive?
- Umwandlung von Metallschrott aus Brose-Linien in Green Steel-Pulver für die additive Fertigung unter Beibehaltung der Zusammensetzung und Eigenschaften von konventionellem Bandstahl. Es zeigt, dass Produktionsabfälle zu hochwertigem Material werden können und die Kreislaufwirtschaft unterstützt.
- Warum ist die LCA in der additiven Fertigung wichtig und wie wendet sie Arkema an?
- Die LCA quantifiziert die Umweltauswirkungen von Materialien und Prozessen. Arkema hat 26 Referenzen mit 30-95 % recyceltem Gehalt neu zertifiziert und analysiert Rohstoffe und recycelte Polymere durch spezialisierte Wissenschaftler, um Eigenschaften ähnlich denen von Neumaterialien zu gewährleisten.
- Was sind die wichtigsten Empfehlungen, um die additive Fertigung wirklich kreislauforientiert zu gestalten?
- Systematische Ansätze in Bezug auf Materialien, Energieeffizienz und Prozesse anwenden; unabhängige Zertifizierungen für die Rückverfolgbarkeit nutzen; Kooperationen zwischen Lieferanten und Kunden für Kreislaufwirtschaften schaffen; in F&E, Standardisierung und Supply-Chain-Partnerschaften investieren.
