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3D-Druck Nachhaltigkeit und Ressourcenschonnung

Bald in allen Garagen und Hobbykellern?
Öko-Aspekte beim 3D-Druck

Dr. Friedhelm Kring
Die Ver­fahren des soge­nan­nten „Addi­tiv­en Man­u­fac­tur­ing“ (AM) wer­den immer viel­seit­iger, die benötigten Geräte klein­er und leis­tungs­fähiger. Addi­tive Fer­ti­gung ver­lässt zuse­hends den Nis­chen­sta­tus und wird längst nicht mehr nur für Pro­to­typen genutzt. Neben der Indi­vid­u­al­isier­barkeit von Bauteilen und Design­frei­heit für kom­plexe Geome­trien rück­en die Chan­cen für Nach­haltigkeit und Ressourcenscho­nung in den Fokus.

AM wird oft als Syn­onym zu 3D-Druck ver­wen­det, umfasst jedoch eine Vielzahl von Tech­nolo­gien und Anwen­dun­gen. Das reicht vom pul­ver­bet­tbasierten Laser­schmelzen und Lasersin­tern über Pho­topoly­meri­sa­tion, Schicht­laminierung bis zu Extru­sionsver­fahren. In immer kürz­eren Zeitab­stän­den wer­den neue Aus­gangs­ma­te­ri­alien vorgestellt und die Zahl der Ein­satzge­bi­ete wächst und wächst. Ob Medi­zin oder Auto­mo­bil, Architek­tur oder Raum­fahrt – in fast jed­er Branche wer­den addi­tive Tech­nolo­gien genutzt. Vom Zah­n­er­satz über Lebens­mit­tel oder Kun­sto­b­jek­te bis zur Fußgänger­brücke wer­den Objek­te in nahezu jed­er Form und Größe „gedruckt“. Allen Meth­o­d­en gemein­sam ist, dass aus einem dig­i­tal­en Mod­ell schichtweise ein physis­ch­er Gegen­stand hergestellt wird.

Kostengünstige Prothesen aus Plastikabfall

Neben dem Arbeitss­chutz wird auch die Umweltverträglichkeit von AM disku­tiert und erforscht. Weltweit suchen Pro­jek­te und Ini­tia­tiv­en nach Wegen, addi­tive Ver­fahren nach­haltig einzuset­zen. Einige Ideen wur­den bere­its mehr oder weniger spek­takulär umge­set­zt, hier einige Beispiele:

  • Das Pro­jekt Pre­cious Plas­tic (wertvoller Kun­st­stoff) basiert auf Maschi­nen und Ver­fahren, die recyceltes Plas­tik zer­mahlen, schmelzen und für neue Pro­duk­te ein­set­zen. Die CAD-Mod­elle und Dateien sind kosten­los unter ein­er Cre­ative-Com­mons-Lizenz zugänglich. Auf diese Weise kon­nte eine Ham­burg­er Stu­dentin im Früh­jahr 2020 Gesichtss­chutzvisiere für Klinikper­son­al herstellen.
  • Beim Mil­lion Waves Project wird an Meer­essträn­den Plas­tik­müll gesam­melt und dann zu medi­zinis­chen Prothe­sen 3D-gedruckt. Aus 30 Flaschen wird eine Prothese zu Kosten von 45 Dollar.
  • Solar Voy­ager, ein über­wiegend aus recycel­tem Plas­tik­ab­fall gedruck­ter Gelän­dewa­gen mit Solarpan­els und Elek­troantrieb, war bere­its in der Antark­tis unterwegs.
  • Mit dem weltweit ersten 3D-gedruck­ten, kün­stlichen Koral­len­riff aus Beton hat das Start­up XtreeE im Meer vor Mar­seille einen neuen Leben­sraum geschaffen.

Klimaschutz durch Additive Fertigung

Solche inno­v­a­tiv­en Ansätze sind enorm wichtig. Denn sie deuten ein riesiges Poten­zial an, auch wenn nicht jede Idee sofort und rentabel real­isier­bar ist. Doch es gibt mehrere gute Gründe dafür, dass AM-Ver­fahren auch auf bre­it­er­er Basis einen Beitrag zu nach­haltiger Pro­duk­tion leis­ten können:

  • Ressourcenef­fizienz: Intel­li­gente Kon­struk­tion und Leicht­bauweise ers­paren Gewicht und Mate­ri­alien, die Ressourcenef­fizienz verbessert sich.
  • Abfallre­duk­tion: Es entste­ht weniger Auss­chuss und es fall­en weniger Abfälle an. Pul­ver­reste sind wiederver­wend­bar, die bei klas­sis­chen Fer­ti­gungsver­fahren (Drehen, Sägen, Bohren, Fräsen usw.) zwangsläu­fig entste­hen­den Abfall­frak­tio­nen wie Späne oder Schnit­treste fall­en bei addi­tiv­en Ver­fahren meist erst gar nicht an.
  • Weniger Schrott (ins­beson­dere Elek­troschrott): Geräte kön­nten leichter reparier­bar wer­den, wenn jed­er Nutzer defek­te Teile oder Ersatzteile im Hob­by-Keller oder Copy-Shop druck­en kann.
  • Weniger Trans­porte: Der Aufwand zum Aus­liefern von Bauteilen und Werk­stück­en fällt weg, wenn diese vor Ort hergestellt wer­den. Kon­struk­tionsvor­la­gen und CAD-Dateien benöti­gen Dat­en-Auto­bah­nen, aber keine physis­chen Straßen.
  • Geringer Lager­aufwand: Der Bedarf an Lager­fläche sinkt, wenn „on demand“ pro­duziert wird. Ersatzteile müssen nicht bevor­ratet wer­den, son­dern sind bei Bedarf gezielt „auf Knopf­druck“ herstellbar.
  • Bio-Plas­tik: Das Spek­trum der Aus­gangssub­stanzen erweit­ert sich um umwelt­fre­undlichere Mate­ri­alien. Zu den bis­lang haupt­säch­lich ver­wen­de­ten Met­allen, Kun­stharzen oder Kun­st­stof­fen kom­men biol­o­gisch abbaubare Sub­stanzen. So sind 3D-Fil­a­mente aus Mais­stärke, andere wer­den aus Zuck­er­rohr, Muschelschalen oder Weizen­abfällen hergestellt. Bio-Poly­mere wer­den nicht für jede tech­nis­che Anwen­dung nutzbar sein, aber die Chan­cen sind da, um z. B. Abfälle aus Land­wirtschaft oder Gas­tronomie effizien­ter zu nutzen.

Unterm Strich erscheint es nicht als ver­messen, dem AM das Poten­zial für ein Respon­si­ble Man­u­fac­tur­ing zuzuschreiben.

Die Zukunft des 3D-Drucks: Recycling, Upcycling, Abbaubarkeit

AM-Ver­fahren kön­nten auch der Kreis­laufwirtschaft zugutekom­men. Denn es ist möglich, Fil­a­mente aus geschred­dertem Abfall, z. B. Fehldruck­en oder nicht mehr benötigten Druck­ob­jek­ten, rück­zugewin­nen. Neben einem solchen Recy­cling zeich­nen sich auch Ansätze für ein Upcy­cling ab. Neue Geräte sollen kün­ftig in der Lage sein, die auch außer­halb der 3D-Welt am häu­fig­sten anfal­l­en­den Kun­st­stoffe zu recyceln. So entste­hen 3D-druck­bare Gran­u­late oder Fil­a­mente aus Plas­tik­müll. Die U.S. Army arbeit­et an Pro­jek­ten, PET-Flaschen und Ver­pack­ungsabfälle zu nutzen und per 3D-Druck wiederzu­ver­wen­den. Dies soll die Abhängigkeit von exter­nen Liefer­ket­ten ver­ringern und fern der Heimat sta­tion­ierten Sol­dat­en das wochen­lange Warten auf Ersatzteile ersparen.

Ob Ersatzteil oder All­t­ags­ge­gen­stand – je mehr Objek­te aus recycel­ten Mate­ri­alien stam­men und selb­st recycel­bar sind, desto nach­haltiger ist ihr Leben­szyk­lus. Umso mehr, wenn das, was irgend­wann tat­säch­lich zu „Abfall“ wird, ganz oder weitest­möglich aus biol­o­gisch abbaubaren Mate­ri­alien besteht.

Opti­mistisch weit­ergedacht müsste es irgend­wann gar keinen Plas­tik­müll mehr geben. Wer­den wir bald alle unsere Kun­st­stof­fabfälle im Keller selb­st schred­dern und uns aus den wiederge­wonnenen Pul­vern und Fil­a­menten dann Schachfig­uren, Blu­menkü­bel oder gle­ich das ganze Garten­häuschen „druck­en“?

In ein­er pes­simistis­chen Annahme nimmt dage­gen die Plas­tikver­schmutzung weit­er zu, weil es immer kostengün­stigere AM-Ver­fahren – in Hob­bykeller oder Werkhalle – vere­in­fachen, mehr und mehr Plas­tik­teile in die Welt zu set­zen. Sich­er ist nur: Es wird span­nend bleiben, die Chan­cen und Risiken des 3D-Drucks weit­er zu verfolgen.


Wo Pulver stauben, drohen Gesundheits- und Explosionsrisiken!

Die Aus­gangsstoffe für Ver­fahren der Addi­tiv­en Fer­ti­gung kön­nen in Form von Pul­ver, Gran­u­lat­en, Flüs­sigkeit­en oder Fil­a­menten vor­liegen. Je nach Ver­fahren beste­hen ther­mis­che, physikalis­che, mech­a­nis­che oder elek­trische Risiken. Sobald beim 3D-Druck Stäube auftreten, ist der Arbeitss­chützer gle­ich zweifach gefragt; denn es kön­nen zum einen Gesund­heits­ge­fährdun­gen beste­hen, zum anderen Explo­sion­srisiken. Bei­de Gefährdun­gen sind abhängig von der Art, Menge und Korn­größen­verteilung der stauben­den Sub­stanz. Chemis­che, physikalis­che und toxikol­o­gis­che Para­me­ter wie Tox­iz­ität, Ent­flamm­barkeit und Reak­tiv­ität spie­len beim Beurteilen der Gefährdun­gen zusam­men. Angesichts von immer neuen Sub­stanzen und Ver­fahren ist das Fes­tle­gen indi­vidu­eller Schutz­maß­nah­men alles andere als trivial.

Wer etwa Met­allpul­ver oder Legierun­gen ein­set­zt, wird Sicher­heits­daten­blät­ter und sicher­heit­stech­nis­che Ken­ngrößen studieren müssen. Es gilt der All­ge­meine Staub­gren­zw­ert oder ggf. stoff­spez­i­fis­che Arbeit­splatz­gren­zw­erte (AGW), eben­so die weit­eren Vor­gaben aus dem Gefahrstof­frecht wie Zusam­men­lagerungsver­bote oder die Men­gen­be­gren­zung am Arbeit­splatz auf den Tages­be­darf. Zu Schutz­maß­nah­men informiert die VDI-Richtlin­ie 3405 Blatt 6.1.


Dr. Friedhelm Kring
Dr. Fried­helm Kring; Foto: © privat

Autor: 
Dr. Fried­helm Kring
Fachjournalist

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