Additive Fertigung Nachhaltig und resilient mit additiven Innovationen

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Universität Bayreuth Forschungsstelle für additive Innovationen (CA.I)

Ruderer Klebetechnik GmbH

Heraeus AMLOY Technologies GmbH

BMF Boston Micro Fabrication

Die Herausforderungen nehmen zu. Wie Unternehmen sich mit additiver Fertigung wappnen können? In dem sie auf Nachhaltigkeit und Resilienz mit 3D-Druck setzen.

Weniger Kapazitäten durch Corona und den Krieg in der Ukraine, fehlende Rohstoffe und Produktionsmittel, einbrechende Absatzmärkte und nun auch noch nachhaltige Produkte und Prozesse – die Herausforderungen für Unternehmen nehmen stetig zu.

Resilienz ist gefragt. Dabei geht es um Eigenschaften wie Innovationsfähigkeit, Reaktions- und Anpassungsfähigkeit sowie Widerstandsfähigkeit. Doch wie können diese erreicht werden? Funktionale, leichtbauoptimierte und damit innovative Produkte sowie deren schnelle, kundenorientierte und flexible Gestaltung und Produktion sind ein guter Weg in Richtung Resilienz.

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Innovationen aus der Additiven Fertigung sprechen genau diese Punkte an. Damit haben sie eine disruptive Wirkung sowohl auf die Innovationskraft und Wettbewerbsfähigkeit, als auch auf die Nachhaltigkeit und das Verantwortungsbewusstsein von Unternehmen.

Dreisprung der Nachhaltigkeit additiver Innovationen

Um den Weg zu Nachhaltigkeit und Resilienz durch additive Innovationen greifbar zu machen, dient der Dreisprung der Nachhaltigkeit. Das ist eine Roadmap zur ganzheitlichen Steigerung der Nachhaltigkeit und Resilienz in Bezug auf additive Innovationen.

1. Sprung: Konstruktion als Basis für Nachhaltigkeit

Basis für additive Innovationen ist die Konstruktion. Denn viele Nachhaltigkeitspotenziale in der Produktion und Wertschöpfung können nur optimal erschlossen werden, wenn diese bereits in der Konstruktion betrachtet wurden und in die Bauteilkonstruktion einflossen. Großes Potenzial für Nachhaltigkeit steckt im Bauteil selbst. Die Leitfrage in diesem Kontext ist:

„Wie konstruiere ich ein Bauteil so, dass der CO₂-Footprint der Endanwendung sinkt?“

Die Antwort steckt in einem Paradigmenwechsel der fertigungsgerechten Konstruktionsweise, um bauteilspezifische Potenziale der additiven Fertigung nutzbar zu machen. Diese sind:

• eine erhöhte Ressourceneffizienz,

• Flexibilität in der Anwendung durch modulare Bauweise sowie

• Zukunftsfähigkeit durch Leichtbau- und Funktionsoptimierung der Produkte.

Diese werden ergänzt durch:

• energie- und ressourcenschonende Werkstoffe, die biogen und biologisch abbaubar sind sowie

• ein Ersetzen energieintensiver Fertigungs- und Nachbearbeitungsverfahren.

Dazu kommen ein Mehrwert, wenn das additiv gefertigte Bauteil um eine zusätzliche Funktion erweitert wird, sowie eine flexibilisierte Wertschöpfung durch „Local-production-on-demand“.

Praxisbeispiel:

Ein Beispiel, wie Nachhaltigkeit durch Additive Fertigung umgesetzt werden kann, liefert EOS. Durch 3D-Druck-gerechtes Konstruieren mit Blick auf die Nachhaltigkeit des Bauteils, wurden bei einer maßangepassten Brillenfassung die CO₂-Emissionen, der Wasserverbrauch und die Humantoxizität verringert. Der CO₂-Fußabdruck beispielsweise ist um 58 Prozent geringer als bei einer konventionell hergestellten Brille und im Vergleich zu konventionell hergestellten Acetatbrillen erzeugen die 3D-gedruckten 80 Prozent weniger Abfall.

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2. Sprung: Energie- und Ressourceneffiziente Produktion

Nach dem in der Konstruktion Nachhaltigkeitspotenziale bedacht und in der Bauteilgeometrie integriert wurden, geht es zur fertigungs- und produktionstechnischen Umsetzung. Die dominante Frage in diesem Kontext lautet:

„Wie muss ich die Prozesse und meine Produktion gestalten, damit diese ökologisch, ökonomisch und sozial nachhaltig implementiert und betrieben werden?“

Um eine nachhaltige Additive Fertigung zu ermöglichen, müssen Prozesse energie- und ressourceneffizient ausgelegt und parametriert werden. Die Auslegung geschieht primär durch den Maschinenhersteller, das Parametrieren ist Aufgabe des Anwenders. Beide sollten ein Auge auf das Umweltmanagement haben. Also darauf, wie Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe zu entsorgen und recyceln sind sowie darauf, dass so wenig wie möglich umweltschädlicher Abfall entsteht.

Rebound-Effekten vorbeugen

Im Produktionsprozess kann es zu einem Rebound-Effekt kommen. Das bedeutet, dass sich in der Konstruktion geplante Nachhaltigkeitsmaßnahmen durch Gegebenheiten in der Produktion auflösen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die durch Leichtbau entstehende Reduzierung der CO₂-Emission durch eine hohe Umweltbelastung der Entsorgung von Abfällen bei der additiven Fertigung als Sondermüll entgegenwirken.

Berücksichtigt eine vorausschauende und damit nachhaltige Konstruktionsweise, die bauteilspezifische additive Prozesskette inklusive der Arbeitssicherheit und des Umweltmanagements, können Gefahren in der Produktion sowie anfallende Reststoffe reduziert werden.

Produktentwicklung

Was 2023 für Konstrukteure und Entwickler wichtig wird

3. Sprung: Resilienz in der Wertschöpfung

Im dritten Schwerpunkt des Dreisprungs der Nachhaltigkeit geht es um Resilienz. Durch mehr Resilienz in den Wertschöpfungsnetzwerken minimieren sich die Krisenanfälligkeit und Vulnerabilität hinsichtlich externer, nicht beeinflussbarer Störgrößen wie Natur- und Gesundheitskatastrophen. Dies birgt insbesondere in globalen Wertschöpfungsnetzwerken mit verketteten Kunden-Lieferanten-Beziehungen Nachhaltigkeitspotenziale. Zusätzlich werden im dritten Schwerpunkt folgende Leitfragen adressiert:

„Wie setze ich die additive Fertigung ökonomisch nachhaltig in meinem Wertschöpfungsnetzwerk ein?“,

„Wie gestalte ich die unternehmerischen Prozesse, wie Konstruktion, Vertrieb oder Produktion?“ und

„Wie befähige ich meine Mitarbeitenden zur ökonomisch, ökologisch und sozial nachhaltigen Implementierung der additiven Fertigung?“

Lieferketten stabil halten

Werden Unternehmen in ihren Wertschöpfungsnetzwerken resilienter, können sie bei der Ersatzteilbeschaffung und -lagerhaltung sowie einer alternativen Fertigung von produktionswichtigen Gebrauchsteilen Zeit und Kosten sparen. Dies resultiert in einer größeren unternehmerischen Unabhängigkeit und Flexibilität – auch in Zeiten von unsicheren Lieferketten.

Darüber hinaus können bestehende Geschäftsmodelle erweitert und neue entwickelt werden. Das beinhaltet insbesondere digitale oder digital unterstütze, dezentrale Geschäftsmodelle für globale Wertschöpfungsnetzwerke, die die Kunden-Lieferanten-Beziehungen flexibilisieren. Somit ermöglicht eine für die additive Fertigung angepasste Konstruktion eine nachhaltige Wertschöpfungskette, mit der schon frühzeitig möglichen Herausforderungen begegnet wird.

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Ganzheitliche und interdisziplinäre Betrachtungsweise

Neben Unsicherheit, stehen kleine und mittlere Unternehmen (KMU) häufig vor Wissens- und Wollensbarrieren. Diese Herausforderungen ver- und behindern nachhaltige additive Innovationen. Neuartige Wertschöpfungsketten und globale Wertschöpfungsnetzwerke sind vorstellbar, scheitern aber an der Umsetzbarkeit.

Die additive Fertigung hat das Potential Unternehmen fundamental zu verändern. Damit verbunden sind eine ökologische, ökonomische und soziale Gestaltung der Produkte, Prozesse und Wertschöpfungsketten. Doch sie legt auch zahlreiche technische und nichttechnische Herausforderungen zutage:

• Diese fangen an bei der Konstruktion und der Materialentwicklung, bei der produktionstechnischen Implementierung und der Anwendung.

• Sie sind sogar noch weitreichender: Auch die Entwicklung von neuen, meist digitalen Geschäftsmodellen sowie Interaktions- und Arbeitsbeziehungen zu organisieren, stellt Unternehmen vor neue Herausforderungen.

• Um Hemmschwellen zu überwinden, erfordert es nicht nur eine generelle Zusammenarbeit im Innovationsökosystem, sondern insbesondere ein interdisziplinäres Arbeiten in den (teils neu konfigurierten) Wertschöpfungsketten.

Keimzelle für nachhaltige Innovationen

Die Universität Bayreuth bietet mit ihrer deutschlandweit einzigartigen Forschungsstelle „Campus Additive.Innovationen“ eine interdisziplinäre Keimzelle für nachhaltige additive Innovationen. Hieraus soll beispielsweise eine Innovations- und Vernetzungsplattform für Forschende und Anwendende sowie für die additiv-denkende Gesellschaft aufgebaut werden.

Weitere interdisziplinäre Forschungsinitiativen zur Nachhaltigkeitssteigerung in der additiven Fertigung sind geplant. Eine systematische Vernetzung technischer und nichttechnischer Forschungs- und Innovationsfelder sowie ein tiefes Einbinden von Unternehmen und deren Herausforderungen ermöglicht dabei einen erweiterten Blick auf die additiven Innovationen und eine nachhaltige strategische Entwicklung für Unternehmen.

* Christian Bay ist Geschäftsführer des Campus Additive.Innovationen (CA.I) der Universität Bayreuth. Alexander Mahr vom Fraunhofer IPA ist Laborleiter der Projektgruppe Prozessinnovation.

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