Nachhaltigkeit der additiven Fertigung

Nachhaltigkeit der additiven Fertigung

Additive Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing, AM), die auch als 3D-Druck bezeichnet werden, bieten aufgrund der schichtweisen Generierung von Strukturen eine einzigartige Designfreiheit. Auch die Flexibilität, die Möglichkeit der Funktionsintegration, die Individualisierungsmöglichkeit sowie beschleunigte Innovationszeiten machen die AM zu einer Schlüsseltechnologie der Industrie 4.0. In dieser Studie geht es um die zu vergleichenden ökonomischen und ökologischen Bewertung von additiven und konventionellen Fertigungstechnologien in der industriellen Produktion und die künftige Anwendung von AM, insbesondere hinsichtlich der Energie- und Ressourceneffizienz und der Wirtschaftlichkeit dieser Technologie.

© Fraunhofer EMI

Schematische Abbildung der Einbauposition der Dämpfergabel in einem Fahrzeug.

Die additive Fertigung von Metallen steht am Beginn einer großen Entwicklung hin zu vielfältigen Anwendungen in einem breiten Spektrum von Industriezweigen. Prototypen und Pilotprojekte werden abgelöst durch die Fertigung von kleineren und größeren Produktserien.

Neue Designfreiheiten lassen sich effizient durch Strukturoptimierungsmethoden nutzen und ermöglichen sowohl ein reduziertes Bauteilgewicht und somit eine Möglichkeit der Reduktion der Betriebskosten, als auch eine ressourceneffiziente Fertigung.  Es wurde bereits gezeigt, dass die Volumenreduktion der Bauteile Zeit und Geld spart. Durch eine passende Designwahl können noch größere Effekte als durch die Wahl der konkreten Anlagentechnologie erzielt werden.

Um die Überführung der additiven Fertigungsverfahren in die industrielle Kleinserienfertigung zu untersuchen, Prognosen zu ermöglichen und die Entscheidungsfindung der potentiellen Anwender zu unterstützen, sind weitere vergleichende Studien nötig.

© Fraunhofer EMI

LBM Fertigungsanlage EOS M 400 am Fraunhofer EMI in Freiburg.

Ziel der Studie

Die Studie bezweckt eine vergleichende ökologische und ökonomische Bewertung von additiven und konventionellen Fertigungsverfahren in der industriellen Produktion. Das Ziel der Studie ist die Bewertung eines zukünftigen möglichen Anwendungsfalls für AM, insbesondere hinsichtlich der Energie- und Ressourceneffizienz sowie der Wirtschaftlichkeit dieser Technologie. Die Ergebnisse sollen kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) ermöglichen, die Sinnhaftigkeit einer Investition in AM aus ökologischer und ökonomischer Perspektive zu bewerten.

Deshalb betrachtet diese Studie einen Anwendungsfall, der die Produktionsprozesse metallverarbeitender KMU möglichst generisch repräsentiert: Die Herstellung von Aluminiumleichtbauteilen für Fahrzeuge. Für den Zweck einer vergleichenden Analyse unter Berücksichtigung einer Strukturoptimierung bei additiv gefertigten Bauteilen wird ein funktionell äquivalentes Referenzbauteil aus klassischer industrieller Fertigung, dem Gießen, zugrunde gelegt. Für den Zweck dieser Studie wird als Referenzbauteil eine Dämpfergabel aus einer Aluminiumlegierung für ein Automobil gewählt und mit Hilfe eines Laser Beam Meltings (LBM) Prozesses additiv gefertigt.

© Fraunhofer EMI

Links: Digitales CAD Modell der Dämpfergabel in der Prozessvorbereitung. Rechts: Additiv gefertigte Dämpfergabel aus einer hochfesten Aluminiumlegierung.

Der Vergleich dieser Referenzbauteile erfolgt anhand eines lebenszyklusorientierten Bewertungsansatzes, der den gesamten Lebensweg der betrachteten Bauteile in die Analyse einbezieht. Die Analyse orientiert sich an realen Produkten aus der Automobil-Zulieferindustrie.

Hauptzielgruppen sind hierbei KMU der metallverarbeitenden Branche, Maschinen- und Anlagenhersteller, die Fahrzeugindustrie sowie Forschungsinstitutionen. Die Ergebnisse sollen es den KMU ermöglichen, den Nutzen einer Investition in additive Fertigungstechnologien aus ökologischer und ökonomischer Perspektive zu bewerten. Weiterhin soll die Studie als Informationsquelle für Initiativen und Verbände sowie Einrichtungen des Bundes, der Länder und deren Vertreter genutzt werden können.

Fazit

Die Sensitivitätsanalyse zeigt, dass technische Verbesserungen bei LBM-Anlagen auch bei den ökologischen Wirkungskategorien ein deutliches Verbesserungspotenzial bewirken könnten. Allein die höhere Anzahl der parallel arbeitenden Laser sowie ein größeres Bauraumvolumen bewirken eine deutliche Reduktion der benötigten Anlagen. Neben den ökonomischen Vorteilen hätte diese Produktivitätssteigerung auch einen geringeren Energiebedarf zur Folge.

Ein Vorteil der additiven Fertigung liegt in der Möglichkeit zur topologischen Strukturoptimierung von Leichtbauteilen. Diese konnten, mit dem in dieser Studie betrachteten Referenzbauteil, nicht vollends ausgereizt werden, da die gewählte Anlehnung an das klassische Automobildesign nur eine geringe Designfreiheit ermöglicht. Durch ein explizit auf additive Fertigung optimiertes Gesamtdesign von komplexen Produktsystemen, wie beispielsweise Automobilen oder Flugzeugen, lässt sich das Leichtbaupotential von Einzelkomponenten umfassender erschließen. Dadurch würde sich die Wirtschaftlichkeit der additiven Verfahren verbessern und auch deutlichere Energiespareffekte in der Nutzungsphase mobiler Produkte erzielen. Eine umfangreiche Strukturoptimierung in Verbindung mit der Wahl kostengünstigerer Werkstoffe könnte die Fertigung mittels LBM gegenüber der klassischen Fertigung im Einzelfall konkurrenzfähig machen.

Zur Studie

Die Studie wurde durch das VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH (VDI ZRE) beauftragt. Die Instrumente des VDI ZRE zur Bewertung und Darstellung von Ressourceneffizienzpotenzialen werden im Auftrag des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit erstellt und aus Mitteln der Nationalen Klimaschutzinitiative finanziert. Sie sind auf der Webseite www.ressource-deutschland.de zugänglich.

Beziehungsweise hier finden Sie den Download der vollständigen Studie. 

Die Studie wurde in Kooperation mit dem Öko-Institut in Freiburg erstellt.

Werkstattstechnik: Nachhaltigkeit der Additiven Fertigung.