Wie ressourcenschonend ist 3D-Druck? Dieser Frage geht das VDI Zentrum Ressourceneffizienz (VDI ZRE) in einer aktuellen Studie mit dem Titel „Ökologische und ökonomische Bewertung des Ressourcenaufwands: Additive Fertigungsverfahren in der industriellen Produktion“ nach. Antwort: Ob 3D-Druck ressourceneffizienter als konventionelle Fertigung ist, hängt vom Produkt ab. Die Studie zeigt, wie sich der Einsatz von Ressourcen beider Verfahren vergleichen lässt.

Additive Fertigung, auch 3D-Druck genannt, gilt als Schlüsseltechnologie der Digitalisierung. Additive Verfahren gelten als schneller und kostengünstiger. Unter anderem, weil weniger Ausschuss produziert wird und bei der Herstellung weniger Abfall anfällt. Deshalb wird dem 3D-Druck künftig eine zentrale Rolle in kleinen und mittleren Unternehmen des verarbeitenden Gewerbes prophezeit. Zu Recht?

Mittelfristig Kostenangleichung bei Verfahren
Das VDI ZRE hat in einer Studie den Ressourcenverbrauch eines additiven Fertigungsverfahrens mit einem konventionellen Fertigungsverfahren verglichen. Bei dieser Studie wurde eine mittelgroße Serienproduktion untersucht, wie sie derzeit für den 3D-Druck noch nicht üblich ist. Zunächst wurde die Struktur des additiv zu fertigenden Bauteils optimiert. So ließ sich das Volumen des Bauteils reduzieren und der Materialverbrauch verringern.

Produziert wurde eine Dämpfergabel für einen Pkw. Konventionell besteht diese aus einer gesenkgeschmiedeten Aluminium-Gusslegierung und wiegt 1,3 kg. Die Herstellung umfasst die Produktionsschritte Gießen, Gesenkschmieden, Entgraten, Wärmebehandeln und Fräsen. Bei der additiven Fertigung kam das Laser Beam Melting (LBM) zum Einsatz. Bei diesem selektiven Laserschmelzen wurden zwei verschiedene Aluminiumpulver lokal geschmolzen und Schicht für Schicht auf einer Grundplatte aufgebracht.

Im betrachteten Fall zeigte sich, dass beim 3D-Druck mehr Energie, mehr Rohstoffe, mehr Wasser und mehr Fläche verbraucht wurden als bei der konventionellen Produktion. Auch die Treibhausgasemissionen steigen an. Zudem sind die Material- und Betriebskosten wesentlich höher. Diese Effekte sind vor allem auf den hohen elektrischen Grundverbrauch der LBM-Anlage sowie auf deren Pulver- und Wartungskosten zurückzuführen. Technische Verbesserungen an der LBM-Anlage, mit denen in Zukunft fest zu rechnen ist, werden die Umweltauswirkungen und die Kosten stark reduzieren. Der Abstand zwischen konventioneller und additiver Fertigung wird sich hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Ressourceneffizienz mittelfristig verringern.

Additive Fertigung als Ergänzung
Die Studie zeigt, dass im Einzelfall sehr genau abzuwägen ist, wann additive und wann konventionelle Herstellungsverfahren gewählt werden. Im Falle der Pkw-Dämpfergabel fällt die Massereduktion durch die additive Fertigung so gering aus, dass dies keinerlei Effekte auf den Treibstoffverbrauch des Autos haben wird. Anders sieht es in der Luft- und Raumfahrt, in der Medizintechnik oder für bionische Produktkonzepte aus: Hier sind in der Nutzungsphase durch leichtere Bauteile höhere Einsparpotenziale erzielbar. Metallische Werkstücke werden in Zukunft sehr wahrscheinlich weder ausschließlich auf konventionellem Wege noch ausschließlich additiv gefertigt. Stattdessen werden die 3D-Druckverfahren die herkömmlichen Methoden ergänzen.

Über das VDI Zentrum Ressourceneffizienz
Die VDI Zentrum Ressourceneffizienz (VDI ZRE) hat die Aufgabe, Informationen zu Umwelttechnologien und material- und energieeffizienten Prozessen allgemeinverständlich aufzubereiten. Ziel ist es, vor allem kleine und mittlere Unternehmen bei der Steigerung ihrer Ressourceneffizienz zu unterstützen. Die Instrumente des VDI ZRE zur Bewertung und Darstellung von Ressourceneffizienzpotenzialen werden im Auftrag des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit erstellt und aus Mitteln der Nationalen Klimaschutzinitiative finanziert.