Mit 3D Druck Nachhaltigkeit von Bauteilen verbessern
Tipps für eine umweltfreundlichere Gestaltung Ihrer Bauteile
Die Frage nach mehr Nachhaltigkeit und umweltfreundlicheren Lösungen wird in allen Lebensbereichen zunehmend drängender. Das trifft natürlich auch auf das industrielle Umfeld zu. Der 3D Druck bietet dabei einige Möglichkeiten, mit welchen die Nachhaltigkeit von Bauteilen bereits bei der Konstruktion und Materialauswahl mitgedacht und umgesetzt werden kann. Im Folgenden wollen wir Ihnen einen Überblick darüber geben.
Bitte beachten Sie, dass wir mit diesem Artikel weder allgemein die Nachhaltigkeit des 3D Drucks noch eines anderen Fertigungsverfahrens beurteilen wollen. Wir möchten Ihnen an dieser Stelle lediglich einige Tipps geben, wie Sie Ihre Bauteile umweltfreundlicher gestalten können.
Mehr Nachhaltigkeit durch Designanpassungen
Die Additive Fertigung bietet komplett neue Möglichkeiten für die Konstruktion von Bauteilen im Vergleich zu konventionellen Herstellungsmethoden. Da beim 3D Druck Objekte Schicht für Schicht aufgebaut werden, können auch komplexe geometrische Strukturen relativ einfach hergestellt werden. Diese Designfreiheit kann dabei auch dazu beitragen, Bauteile möglichst nachhaltig zu gestalten. Wobei hierfür hauptsächlich die Reduzierung von Material und damit verbunden auch von Gewicht bedeutend sind. Im Folgenden finden Sie einige Tipps, die sie bereits bei der Konstruktion anwenden können, um dies zu erreichen. Neben dem positiven Effekt für die Umwelt, gehen Materialeinsparungen im 3D Druck meistens auch mit geringeren Kosten einher, weshalb sich die Beachtung der folgenden Punkte sogar doppelt lohnen kann:
1. Materialeinsparungen
Eine Möglichkeit, mit der Material sehr effektiv gespart werden kann, ist die Verringerung der Wandstärken. Besonders in Bereichen, in denen die mechanische Belastung gering ist, kann dies recht einfach umgesetzt werden. Um die Stabilität des Bauteils zu garantieren, sollten Sie jedoch beachten, dass die Wandstärke nicht unter 1,0 mm liegt und bei Bereichen mit starker Belastung von einer Reduzierung absehen.
Des Weiteren können Sie darauf achten, bei der Konstruktion von Bauteilen für den 3D Druck auf voluminöse Bereiche zu verzichten. Bei der Herstellung von Bauteilen mittels konventioneller Verfahren geschieht dies in der Regel durch Entfernung von Material von einem blockförmigen Ausgangsmaterial, bis die gewünschte Form erreicht ist. Wenn dabei viel Material entfernt werden muss, ist das meist mit höheren Kosten verbunden, weshalb voluminösere Bauteile oft günstiger sind.
Da bei der Additiven Fertigung Bauteile jedoch durch das Hinzufügen von Material aufgebaut werden, kann hier bereits anders an die Konstruktion herangegangen werden. Voluminöse Bereiche können somit entweder von vornherein weggelassen werden, oder, sollte das nicht zur gewünschten Stabilität führen, durch Versteifungsstrukturen ersetzt werden. Bei Letzteren sollten Sie jedoch bei den pulverbasierten Verfahren MJF und SLS darauf achten, dass Öffnungen zu verschlossenen Elementen vorhanden sind, um das überschüssige Pulver nach dem Druck entfernen zu können.
2. Topologieoptimierung
Um Bauteile nachhaltiger zu gestalten, kann es sich auch lohnen, einen Blick in die Natur zu werfen und diese als Vorbild für die Konstruktion zu nutzen. Das geschieht gewissermaßen bei der Topologieoptimierung. Dabei wird computergestützt eine optimale Bauteilgeometrie erzeugt, indem intelligente Algorithmen zum Einsatz kommen und verschiedene Rahmenbedingungen, wie beispielsweise die Krafteinwirkungen auf das Bauteil, vorgegeben werden. So entstehen spezielle Strukturen, die jeweils für einen bestimmten Anwendungsfall, wie z.B. extremen Leichtbau, optimiert sind. Mit dieser Methode kann das verwendete Material sehr effektiv reduziert werden, jedoch wird dafür meistens auch zusätzliche, kostenpflichtige Software benötigt.
3. Bauteilkonsolidierung
Mit der Additiven Fertigung ergibt sich die Möglichkeit, Bauteile, die in anderen Verfahren als Baugruppen aus mehreren Einzelteilen gefertigt werden müssen, direkt als ein Teil zu konstruieren und zu produzieren. Möglich ist das, da im 3D Druck komplexe Geometrien wie beispielsweise Überhänge und Kanäle in Bauteilen einfach umgesetzt werden können.
Diese sogenannte „Konsolidierung“ von Bauteilen erspart die Herstellung mehrere Fertigungswerkzeuge, die andere Herstellungsmethoden für die Einzelteile benötigen, sowie die Verwendung von Befestigungselementen und damit verbunden wiederum Material und Gewicht.
Nachhaltigkeit bei der Materialauswahl
Neben einem nachhaltigeren Design von Bauteilen kann auch die Materialauswahl dazu beitragen, den 3D Druck umweltfreundlich zu gestalten. Besonders beim pulverbasierten HP MJF Verfahren gibt es mit PA12 beispielsweise ein Material, bei dem bis zu 80% des nicht verwendeten Pulvers wiederverwendet werden können. Außerdem gibt es eine Auswahl an Materialien, die aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden und biologisch abbaubar sind. Im Folgenden finden Sie eine Übersicht über alle Materialien und ihre jeweiligen Eigenschaften und Anwendungsbereiche, die Ihnen zu diesem Zweck bei uns zur Verfügung stehen:
PA12 im HP MJF Verfahren:
Das „High Reusability PA12“ von HP ermöglicht es, bis zu 80% des nach der Produktion überschüssigen Pulvers wiederzuverwenden. Damit wird bei diesem Material die höchste Wiederverwendbarkeit im Vergleich zu jeder anderen pulverbasierten 3D Druck Technologie mit PA12 erreicht. Das Material besitzt außerdem ein sehr ausgeglichenes Eigenschaftsprofil sowie eine hohe Stabilität und Stoßfestigkeit, weshalb es sich bestens für funktionale Bauteile und Prototypen eignet.
PA11 im HP MJF Verfahren:
Polyamid 11 basiert zu 100% auf nachwachsenden Rohstoffen. Dabei handelt es sich um Rizinusöl, welches aus den Samen des afrikanischen Wunderbaums „Ricinus communis“ gewonnen wird.
Das Material zeichnet sich durch eine sehr hohe Zähigkeit aus und ist zugleich fest und flexibel. Dabei behält es diese Eigenschaften über einen breiten Temperaturbereich von 40 bis 130°C. Da PA11 bei einem Bruch nicht splittert, sondern reißt, ist es vor allem in der Automobilindustrie von großer Bedeutung.
PLA im FDM Verfahren
PLA gehört zu den Polyestern und wird aus regenerativen Quellen, wie beispielsweise Maisstärke gewonnen, wodurch es biokompatibel ist. Hier muss allerdings beachtet werden, dass im 3D Druck meistens kein reines PLA verwendet wird. Häufig wird es mit Additiven angereichert, um ein bestimmtes Eigenschaftsprofil zu erhalten.
Grundsätzlich zeichnet sich das Material durch hervorragende Eigenschaften wie hohe Zugfestigkeit, Oberflächenhärte und Steifigkeit aus. Lediglich für Anwendungen mit höherem thermischem Eintrag kann es nur bedingt verwendet werden. Zum Einsatz kommt es unter anderem bei Prototypen oder großen Bauteilen, da es zusätzlich wenig Verzug aufweist.
Green-TEC Pro im FDM Verfahren
Die Basis für dieses Material bildet ein Biopolymer, wodurch Green-TEC Pro sowohl lebensmittelecht und kompostierbar als auch CO2 neutral verifiziert ist.
Durch seine leichte Flexibilität und damit verbundene hohe Schlagfestigkeit eignet sich das Material hervorragend für technische und mechanische Anwendungen. Außerdem zeichnet es sich durch gute Temperaturbeständigkeit aus und weist eine leicht matte Oberfläche auf, wodurch die Einzelschichten weniger sichtbar sind.
Weitere Details zu den oben aufgelisteten und allen unseren Materialien finden Sie auf unserer Materialseite. Wenn Sie Unterstützung bei der Wahl des für Ihren Anwendungsfall passenden Materials benötigen, kontaktieren Sie uns gerne.