Ressourcen­schonend in die Zukunft: Additive Fertigung neu gedacht

In vielen technikaffinen Haushalten gehört der 3D-Drucker längst zur Ausstattung. Ein defektes Kunst­stoff­teil schnell ersetzt, ein praktisches Gadget für den Alltag selbst entworfen – die Technologie ist in den letzten Jahren deutlich zugänglicher geworden. Doch nicht nur im Privaten, auch in der Industrie ist die sogenannte additive Fertigung gefragter denn je.

Der große Vorteil: Material wird nur dort aufgetragen, wo es tatsächlich gebraucht wird – Schicht für Schicht. So entstehen besonders leichte oder hoch­komplexe Bauteile, etwa bionisch inspirierte Strukturen, die sich an Vorbildern aus der Natur wie Knochen oder Korallen orientieren. Sie sind stabil, material­sparend und mit klassischen Verfahren oft nicht herstell­bar. Dieser gezielte Material­einsatz spart nicht nur Rohstoffe, sondern auch Energie beim Einsatz der Bauteile oder Montage­zeit.

Ein neu gegründeter Forschungs­verbund widmet sich nun dem schonenden Umgang mit Ressourcen wie Rohstoffen und Energie – eine der drängendsten Herausforderungen unserer Zeit. Die additive Fertigung spielt dabei eine zentrale Rolle: Sie ermöglicht die Entwicklung hoch­funktionaler Bauteile und bietet die Chance, recycelte Materialien – sogenannte Sekundär­stoffe – gezielt in Kunststoff- und Metall­prozesse einzubringen. Soweit die Theorie.

Damit diese Theorie künftig auch in der Praxis wirkt, forschen Wissen­schaftlerinnen und Wissen­schaftler im „CZS Center für Kreis­lauf­wirtschaft und Ressourcen­effizienz mittels Additiver Fertigungs­technologien“ – kurz CZS Center KRAFt – daran, wie sich additive Prozess­ketten ressourcen­schonender gestalten lassen.

Im Mittelpunkt stehen dabei zwei Werk­stoff­gruppen, die besonders häufig eingesetzt werden: Kunst­stoffe und Metalle. Ziel ist es unter anderem, hochwertige Vormaterialien aus Sekundär­stoffen zu gewinnen und geschlossene Stoff­kreis­läufe zu etablieren.

Nicht nur die unterschiedlichen Materialien, sondern auch der systemische Blick auf die gesamte Prozess­kette macht eine inter­disziplinäre Zusammen­arbeit im Center unverzichtbar. Zehn Arbeits­gruppen an drei Standorten – dem Umwelt-Campus Birkenfeld der Hochschule Trier, dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Hoch­schule Aalen – bündeln dafür ihre Kompetenzen. Sie untersuchen die gesamte Prozess­kette der additiven Fertigung vom präzisen Material­verhalten über Energie- und Stoff­ströme bis hin zur Entwicklung effizienter Fertigungs­prozesse und verbesserter Endprodukte. Zur Umsetzung stehen dabei nicht nur die Prozess­ketten in Kunststoff und Metall, sondern auch für technische Keramiken zur Verfügung.

Gefördert wird das interdisziplinäre Vorhaben von der Carl-Zeiss-Stiftung (CZS) mit insgesamt zwölf Millionen Euro. Ein Großteil davon fließt in die Arbeit von Promovierenden – und damit in die Ausbildung des wissenschaftlichen Nach­wuchses, der die Industrie von morgen nach­haltig mitgestalten soll.

Doch bevor aus dem Granulat ein funktionierendes Bauteil entsteht, braucht es Wissen. Denn selbst sorten­reine Kunst­stoffe weisen unterschiedliche Eigenschaften auf – je nach Alter, Zusatz­stoffen oder früherem Einsatz. Die Wissen­schaftlerinnen und Wissenschaftler analysieren deshalb systematisch, wie sich diese Unterschiede auf das Druck­verhalten und die Bauteil­qualität auswirken. Ihr Ziel: Ein Modell, das vorhersagt, wie belastbar und langlebig ein Bauteil aus recyceltem Kunststoff sein wird – noch bevor der erste Druck­vorgang beginnt.

Die Vision: Eine industrielle Fertigung, die nicht auf Neuware angewiesen ist, sondern gezielt auf vorhandene Ressourcen zurück­greift. Bauteile aus Abfällen – aber von höchster Qualität. So wird aus einem Einweg­produkt ein langlebiges Element in der Fertigung von morgen.

Metallische Werkstoffe sind zentrale Bausteine industrieller Wertschöpfung, gleichzeitig jedoch energie­intensiv in Herstellung und Verarbeitung. In der spanenden Fertigung entstehen große Mengen an Reststoffen, deren Wieder­verwertung bislang meist im Einschmelzen endet. Am CZS Center KRAFt wird daran geforscht, diese Neben­produkte gezielt für die additive Fertigung nutzbar zu machen – als Teil einer geschlossenen industriellen Prozess­kette.

Zentral ist dabei der Aufbau einer eigenen VIGA-Anlage (Vacuum Inert Gas Atomization) am Umwelt-Campus Birken­feld. Mit ihr können aufbereitete Späne in einer Schutz­gas­atmosphäre geschmolzen und zu hoch­reinem Metall­pulver verdüst werden – genau jenem Pulver, das als Ausgangs­material für die additive Fertigung mit hoher Bauteil­qualität erforderlich ist.

Die zentrale Herausforderung: Die Späne aus industriellen Fertigungs­prozessen sind häufig verunreinigt, oxidiert oder weisen stark schwankende Material­eigenschaften auf. Um ein standardisier­bares Pulver mit definierter Partikel­größen­verteilung und homogener chemischer Zusammen­setzung zu erzeugen, müssen Vorbehandlung, Schmelz­führung und Verdüsung exakt aufeinander abgestimmt werden.

Ziel ist es, reproduzierbare Pulverqualitäten zu erzeugen, die den Anforderungen industrieller Anwendungen gerecht werden, etwa für funktions­integrierte oder hoch­belast­bare Bauteile. So entsteht ein geschlossener Stoff­kreis­lauf in der Metall­verarbeitung; ein zentraler Schritt hin zu mehr Ressourcen­effizienz in der industriellen Fertigung.

Alle Maßnahmen im Center KRAFt folgen einer über­geordneten Frage: Lässt sich additive Fertigung messbar ressourcen­effizienter gestalten als klassische Verfahren? Um diese Frage fundiert zu beantworten, führen die beteiligten Teams systematische Lebens­zyklus­analysen (LCA) durch – für Kunststoffe, Metalle und komplette Prozess­ketten.

Dabei werden Energie- und Stoffströme entlang des gesamten Herstellungs­prozesses erfasst – von der Material­gewinnung über die Aufbereitung bis hin zum fertigen Bauteil. Die so gewonnenen Daten ermöglichen gezielte Prozess­verbesserungen, etwa durch neue Geometrien, reduzierte Energie­verbräuche oder lang­lebigere Komponenten.

Ein weiterer Fokus liegt auf dem Wissens­transfer: Die LCA-Daten werden auch externen Forschungs­einrichtungen und Industrie­partnern zur Verfügung gestellt – zur Weiter­entwicklung von Standards und zur Verankerung ressourcen­schonender Praktiken im industriellen Alltag.

Koordiniert wird das Projekt durch Prof. Wahl vom Umwelt-Campus Birkenfeld der Hochschule Trier, der seit seiner Gründung 1996 Vorreiter in Sachen nachhaltige Technologie­entwicklung ist. Mit dem Center KRAFt geht er den nächsten logischen Schritt: Technik für eine Industrie, die nicht nur innovativ ist – sondern auch zukunftsfähig.