Ökologische Transformation Kann additive Fertigung die Nachhaltigkeit in der gesamten Lieferkette verbessern?

Ein Gastbeitrag von Max Siebert*

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Die grüne Transformation ist eine der zentralen Aufgaben der kommenden Jahre. Dieser Artikel zeigt auf, welchen Beitrag die additive Fertigung zu effizienteren und umweltfreundlicheren Produktions- und Lieferketten leisten kann.

Mittels 3D-Druckverfahren können gleichwertige oder sogar verbesserte Teile mit weniger Material hergestellt werden.
Mittels 3D-Druckverfahren können gleichwertige oder sogar verbesserte Teile mit weniger Material hergestellt werden.
(Bild: Replique)

Menschen und Unternehmen werden sich zunehmend der Bedeutung von Nachhaltigkeit bewusst und räumen ihr immer mehr Priorität im Alltag ein. Dies trifft auch auf den Produktionssektor zu. Hier wird der Nachhaltigkeitsaspekt vor allem durch Endkundenanforderungen und neue Regularien vorangetrieben.

Additive Fertigung erlaubt nachhaltiges Design

Additive Fertigung bietet eine völlig neue Art der Produktgestaltung, die die Erstellung topologieoptimierter Designs ermöglicht. Durch eine solche Neugestaltung kann das 3D-gedruckte Teil die gleichen Anforderungen erfüllen und oft sogar die Leistung im Vergleich zum Originalteil verbessern, während gleichzeitig weniger Material verwendet wird.

Unternehmen können beispielsweise eine aus mehreren Teilen bestehende Baugruppe als Einheit drucken. Hier spricht man von Teilekonsolidierung. Dies führt zu einem geringeren Material- und Energieverbrauch bei der Herstellung im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren und reduziert den Zeitaufwand, da weniger Teile hergestellt und montiert werden müssen. Darüber hinaus kann die Teilekonsolidierung leistungsstärkere Teile mit erhöhter Haltbarkeit bieten.

AM kann Materialverbrauch während der Produktion reduzieren

Bei der Produktion achten Hersteller auf zwei wesentliche Faktoren: Materialverbrauch und Energieeffizienz. Bei traditionellen Herstellungsverfahren gibt es immer Materialabfälle. Beispielsweise beginnen die Hersteller bei subtraktiven Fertigungsverfahren wie CNC mit einem Block aus festem Material und entfernen dieses sukzessive, um eine endgültige Form zu erreichen. Bei additiver Fertigung erfolgt der Materialeinsatz deutlich effizienter.

Fused Deposition Modeling, kurz FDM, ist ein gutes Beispiel: Teile werden Schicht für Schicht aufgebaut, wobei nur das benötigte Material hinzugefügt wird, sodass außer den Stützstrukturen kein Materialabfall entsteht. Andere additive Fertigungstechnologien, die Pulver oder Harze verwenden, funktionieren anders.

Bei pulver- und harzbasierter additiver Fertigung wird eine vollständige Materialschicht aufgebaut, die dann je nach verwendeter Technologie mit einem Laser verschmolzen oder einem Bindemittel bearbeitet wird. Nachdem die erste Materialschicht bearbeitet ist, wird eine neue Vollschicht hinzugefügt, bis das Teil fertig ist. Unverarbeitetes Pulver oder Harz kann dann für den nächsten Druck wiederverwendet werden.

Umgekehrt werden häufig Stützstrukturen und Testdrucke benötigt, insbesondere für kompliziertere Teile. Üblicherweise werden Testteile auf dem Weg zur optimierten Aufbauorientierung und Druckparametern verworfen.
Entwicklungen in der Simulation ermöglichen es jedoch inzwischen, potenzielle Druckprobleme vorherzusagen und so den Ausschuss in der Produktion massiv zu reduzieren.

Energieverbrauch: Ist additive Fertigung wirklich nachhaltig?

Aufgrund sehr individueller Anwendungsfälle ist die Antwort darauf nicht einfach. Unterschiede in Maschinen-, Produkt- und Prozesseigenschaften erschweren die Vergleichbarkeit von traditionellen Verfahren und additiver Fertigung.

Im Vergleich zu subtraktiven Verfahren kann additive Fertigung energieeffizienter sein. Im Vergleich zum Spritzgießen wird jedoch allgemein anerkannt, dass der Energieverbrauch von AM aufgrund einer viel längeren Produktionszeit pro Teil höher ist. Allerdings müssen auch andere Faktoren wie der Energieverbrauch bei der Herstellung der Form, das Produktionsvolumen und die Materialeffizienz berücksichtigt werden. Bei geringeren Stückzahlen ist additive Fertigung häufig die energieeffizientere Option.

Produktion auf Abruf reduziert Obsoleszenzrisiko in der Lagerhaltung

Neben der Produktion bietet additive Fertigung aber auch Nachhaltigkeitsvorteile in der Lieferkette. Andere Herstellungsverfahren erfordern häufig eine Mindestlosgröße, um die Produktion kosteneffizient zu gestalten, was häufig zu Überproduktion und unnötiger Lagerhaltung von Teilen führt. Dies erhöht nicht nur die Lagerkosten, sondern auch das Obsoleszenz-Risiko, wenn die Teile nicht verkauft werden. Für Unternehmen, die Ersatzteile anbieten, kann das ein großes Problem darstellen. Firmen sind in der Regel an Lieferanten gebunden, die oft enorme Mindestbestellmengen vorschreiben, selbst wenn nur wenige Ersatzteile benötigt werden.

Mit additiver Fertigung ist es möglich und vor allem kosteneffizient, nur die Menge an Teilen zu produzieren, die tatsächlich benötigt wird. Es müssen keine großen Lagerbestände angelegt werden, da die Teile nach Bedarf produziert werden können. Das 3D4U-Projekt von Replique mit Miele demonstriert das. Hier werden Miele-Teile, die der Endkunde über den Online-Shop des Unternehmens bestellt, auf Abruf gedruckt und direkt an den Kunden versandt. Die Gesamtlieferzeit beträgt fünf Arbeitstage einschließlich Versand und zeigt, dass additive Fertigung schnelle und erschwingliche Teile anbieten und gleichzeitig Verschwendung vermeiden kann.

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Minimierte Transportwege reduzieren den CO2-Ausstoß

Die Einführung von additiver Fertigung hat zu einer Verlagerung von der linearen Fertigung mit zentralen Verteilerstellen hin zu einem dezentralisierten Netzwerk von Lieferanten, Produktionspartnern und Kunden geführt. Ermöglicht wird dies durch geringe Investitionskosten, da eine Maschine eine Vielzahl von Teilen produzieren kann. Die Minimierung der Transportvorgänge wirkt sich positiv auf die Umwelt aus, da der CO2-Fußabdruck jedes Teils reduziert wird. Die Komponenten werden lokal, in der Nähe des endgültigen Bestimmungsortes, produziert und müssen so nicht mehr über weite Strecken transportiert werden. Dies verkürzt auch die Vorlaufzeit, was besonders in Zeiten von Lieferkettenunterbrechungen einen gewichtigen Vorteil darstellt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass additive Fertigung als Teil eines Print-on-Demand-Modells den Energieverbrauch, die Materialverschwendung und den CO2-Fußabdruck eines Unternehmens reduzieren kann. Letztendlich hat das auch Vorteile für die Funktionsfähigkeit der Lieferkette. Herkömmliche Lieferketten erfordern mehrere Schritte, von denen jeder einzelne störungsanfällig ist, während additive Fertigung die Lieferkette verkürzt und widerstandsfähiger macht.

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal Industry of Things erschienen.

* Max Siebert ist CEO und Mitgründer des BASF-internen Ventures Replique.

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