10 Gründe, warum der 3D-Druck als nachhaltig gilt

Die additive Fertigung wird oft als umweltfreundliche Alternative zu traditionellen Fertigungsverfahren und der Massenproduktion, die hohe Emissionen verursacht, angesehen. Dies liegt auch daran, dass beim 3D-Druck Materialien nur dort hinzugefügt werden, wo sie tatsächlich benötigt werden, was zu weniger Abfall führt. Zwar hängen die Nachhaltigkeitsvorteile des 3D-Drucks von den verwendeten Technologien, Materialien und Bauteilen ab, dennoch bietet er vielfältige Möglichkeiten, die Industrie nachhaltiger und ressourcenschonender zu gestalten. Auch die UN-Nachhaltigkeitsziele motivieren die Industrie, umweltfreundlichere Ziele zu verfolgen, wie etwa Maßnahmen zum Klimaschutz oder nachhaltigere Konsum- und Produktionsmuster. In diesem Artikel stellen wir Ihnen zehn Gründe vor, warum der 3D-Druck als nachhaltiger gilt und welches Potential die Fertigungstechnologie für eine umweltschonendere Zukunft bietet.

#1: Reduktion von Abfall und Material

Im Vergleich zu traditionellen Fertigungsmethoden bietet der 3D-Druck Vorteile bei der Reduktion von Abfall. Generell erzeugen subtraktive Verfahren wie Drehen, Bohren oder Sägen mehr Materialabfall, beispielsweise in Form von Spänen. Dieses Problem entsteht beim 3D-Druck nicht, da das Material direkt für den schichtweisen Aufbau des Objekts verwendet wird. Die Entstehung von Abfall variiert je nach Technologie, denn pulverisierte und Harz-Druckverfahren erzeugen durch die Notwendigkeit von Stützstrukturen oder überschüssigem Pulver, das nicht vollständig wiederverwendet werden kann, mehr Abfall als andere 3D-Drucktechnologien. Mittels präziser Planung des benötigten Materials können Softwarefunktionen das 3D-Modell optimieren, sodass der Materialeinsatz minimiert wird. Das sorgt für eine effizientere Verwendung von Ressourcen und verringert den Energieverbrauch sowie Maschinenemissionen.

Beim 3D-Druck wird direkt auf die Bauplattform gedruckt, was Materialverschwendung minimiert. (Bild: Devrimb)

#2: Lokale Produktion

Traditionell werden viele Produkte aus entfernten Standorten bezogen, was zu einer globalen Abhängigkeit und Lieferketten führt, die unsere lokale Wirtschaft und Umwelt belasten. Dank des 3D-Drucks vor Ort ist es Unternehmen jedoch möglich, ihre Produkte direkt innerhalb der Gemeinschaft zu produzieren, ohne auf externe Lieferungen angewiesen zu sein und dadurch CO2-Emissionen zu verringern. Auch wird dadurch die Verwendung von Verpackungen, die normalerweise beim Transport von Teilen anfallen, vermieden.

#3: On-Demand-Produktion

Verbunden mit der lokalen Produktion ist auch die On-Demand-Produktion. Unternehmen können Produkte bedarfsgerecht und flexibel herstellen, was die Überproduktion sowie die Notwendigkeit von Lagerbeständen erheblich minimiert. Ersatzteile müssen nicht bevorratet werden, sondern können nach Bedarf, also On-Demand, produziert werden. Die Flexibilität der additiven Fertigung erlaubt es, maßgeschneiderte Produkte anzubieten, die zu individuellen Bedürfnissen von Kunden passen und somit für eine bedarfsorientierte Fertigung sorgen, was zukünftig zu einer Reduzierung von industriellen Prozessen führen könnte.

Vor allem auf Baustellen wird der 3D-Druck, besonders Beton-3D-Druck, vor Ort verwendet, was den Bau nachhaltiger macht. (Bild: Heidelberg Materials)

#4: Lebensdauererweiterung durch Reperatur

Die Wiederverwendbarkeit von Bauteilen durch 3D-Druck fördert auch die Kreislaufwirtschaft. In der Industrie wird häufig das DED-Verfahren (Direct Energy Deposition) eingesetzt, um beschädigte Bauteile zu reparieren, indem Material schichtweise auf die bestehenden Komponenten aufgetragen wird, anstatt sie vollständig neu zu fertigen. Das Verfahren reduziert den Bedarf an neuen Rohmaterialien und verlängert die Lebensdauer von Bauteilen. Hierfür können fast alle schweißbaren Metalle verwendet werden, was die Flexibilität und Effizienz des Reparaturprozesses erhöht.

#5: Recycling und Upcycling

Fehldrucke, defekte oder nicht mehr benötigte Druckprojekte können potentiell eingeschmolzen und für die Herstellung neuer Produkte wiederverwendet werden. Besonders thermoplastische Materialien wie ABS, PETG oder PLA bieten diese Recyclingmöglichkeiten. Jedoch geschieht dies noch eher selten. Beim Upcycling von gebrauchten Produkten ist die Technologie nützlich, indem Abfallprodukte mit 3D-gedruckten Werkstücken verbunden und innovative Unikate geschaffen werden. Trotz der genannten Vorteile stellt das Recycling von Materialien auch eine Herausforderung dar, denn die Qualität des Materials muss hoch genug sein, um sie erneut in einem Druckprozess verwenden zu können. Das Multi-Jet-Verfahren ermöglicht hier mit seiner Wiederverwendbarkeitsrate von bis zu 80% Altmaterial einen nachhaltigen Ansatz und auch Powder-Bed-Fusion-Technologien bieten die Möglichkeit bis zu 98 % des Pulvers wiederzuverwenden, hierzu fehlt es jedoch an Studien.

Das Projekt Print your City wandelt Plastikmüll mittels 3D-Druck in Möbel um. (Print your City)

#6: Umweltfreundliche Materialien

Beim 3D-Druck stehen mittlerweile viele nachhaltige Werkstoffe zur Verfügung, die entweder recyclebar oder biobasiert sind. Neben traditionellen Metallen und Kunststoffen kommen zunehmend neue Werkstoffe zum Einsatz, die den ökologischen Fußabdruck reduzieren können. Beispiele sind biologisch abbaubare Materialien wie Filamente aus Maisstärke, Kaffeesatz, Zuckerrohr oder Weizenabfällen, die umweltfreundlicher entsorgt werden können. Besonders bekannt ist PLA, das aus natürlichen Rohstoffen wie Mais gewonnen wird. Durch die Zugabe von Nebenprodukten kann das Filament nahezu 100 % biobasiert sein. In industriellen Kompostieranlagen ist PLA zudem biologisch abbaubar. Auch nicht-fossile Kunststoffe wie PET oder PHA aus nachwachsenden Rohstoffen sowie recycelte Filamente aus ABS und PET unterstützen die Kreislaufwirtschaft. Die Nachhaltigkeit all dieser Materialien hängt jedoch von unterschiedlichen Faktoren ab, einschließlich der Rohstoffquelle, der Verträglichkeit mit Ökosystemen, Transportwegen und Wiederverwertungsfähigkeit. Durch die kontinuierliche Forschung, das Experimentieren und die Verbesserung bestehender Materialien könnten Umweltauswirkungen zukünftig zu verringert werden.

#7: Energieeinsparende Produktion

Durch die Kombination mehrerer Funktionen in einem Produktionsdurchlauf bietet der 3D-Druck Möglichkeiten zur Energieeinsparung. Ein wesentlicher Vorteil liegt in der energetischen Effizienz des Endprodukts. Im Luftfahrtsektor führt die Gewichtsreduktion durch 3D-gedruckte Komponenten zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch und einer Verringerung von Emissionen im Vergleich zu traditionell hergestellten Teilen. Der 3D-Druck ermöglicht durch die Verwendung von weniger Füllmaterial und effizientere Materialnutzung eine schnellere Produktion mit geringerem Energieverbrauch. Zusätzlich können spezielle Filamente verwendet werden, die einen niedrigeren Schmelzpunkt haben oder ein mit Aerogel isoliertes Druckbett, das Temperaturen bis zu 60°C fast ohne zusätzlichen Stromverbrauch aufrechterhalten kann. Weitere Maßnahmen, die getroffen werden können, sind die Isolierung des Druckkopfes mit Silikon oder Steinwolle, was Wärmeverluste reduziert oder der Bau eines Gehäuses um den Drucker herum, damit Temperaturverluste verhindert werden.

Mittels einer Software können Sie ihr Design optimieren, um Material einzusparen. (Bild: Solid Edge)

#8: Optimiertes Design durch Software

Die Nutzung von 3D-Modellierungssoftware ermöglicht eine effektive Designoptimierung, wodurch Materialverbrauch und Druckzeit reduziert und umweltfreundliche Produktionsprozesse gefördert werden.  Virtuelle Simulationen helfen, unnötige Details und Stützstrukturen zu entfernen und einige Softwares bieten Werkzeuge zur frühzeitigen Fehlererkennung und Defektanalyse während der 3D- CAD-Konstruktion. Die Softwarelösungen ermöglichen es, Modelle digital zu testen, wodurch Material und Energie durch unnötige Testdrucke gespart werden. Auch die digitale Übertragung von CAD-Designs reduziert den Bedarf an Fertigungsstätten, senkt Transportaufwand und Emissionen. Zudem ermöglicht die Leichtbauweise eine Materialeinsparung durch reduzierte Füllung bei gleichzeitig erhöhter Wandstärke. Die Herstellung komplexer Baugruppen als einteilige Komponenten verringert den Material- und Energieverbrauch. Aktuell wird an neuen Verfahren gearbeitet, die mit Künstlicher Intelligenz Druckfehler in Echtzeit erkennen und korrigieren sollen.

#9: Projekte zum Schutz der Umwelt

3D-Druck bietet nicht nur das Potential für umweltfreundlichere Produktion, sondern setzt sich auch effizient für die Erhaltung der Arten und unsere Umwelt ein. So wird die Technologie beispielsweise für die Nachbildung der Natur genutzt um Korallen, Nester, Riffe oder Bienenstöcke zu drucken und den Tieren, welche ihren Unterschlupf aufgrund des Klimawandels verloren haben, eine künstliche Behausung zu bieten, die gleichzeitig identisch mit ihrem natürlichen Lebensraum ist. Darüber hinaus setzt sich die Unternehmen für Projekte zur Erhaltung des Ozeans oder die Herstellung von Fleischalternativen ein. Dies schützt nicht nur Tiere, sondern verringert auch den CO2 Ausstoß, denn der Konsum eines Rindfleisches erzeugt bis zu 12 kg CO2. So nutzen verschiedene Unternehmen die additive Fertigung, um pflanzliches Fleisch herzustellen, was eine 95% geringere Umweltbelastung im Vergleich zur herkömmlichen Fleischproduktion verspricht. 

Taucher bringen ein 3D-gedrucktes Riff zum Meeresgrund. (Bild: © xtreee.com / Greg Lecoeur)

#10: Forschung und Innovation

Nicht zuletzt ist die Schwelle für Prototypenentwicklung und Experimentieren im 3D-Druck sehr niedrig. Dies erlaubt es Unternehmen und Innovatoren, neue Ideen schnell umzusetzen und nachhaltige Lösungen zu entwickeln. Durch diese Flexibilität entstehen, vor allem im Hinblick auf den Umweltschutz, ständig Produkt- und Technologieverbesserungen. Viele Unternehmen und Startups widmen sich aktiv der Weiterentwicklung der additiven Fertigung, um sie effizienter und noch umweltfreundlicher zu gestalten. Diese Innovationskraft eröffnet neue Möglichkeiten für kreative Anwendungen und industrielle Prozesse und sorgt dafür, dass der 3D-Druck, hinsichtlich seiner Nachhaltigkeit, kontinuierlich optimiert wird.

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