Neue Forschungsergebnisse der AMGTA belegen Nachhaltigkeitsvorteile des 3D-Drucks im Binder-Jetting-Verfahren

Studien der Yale School of the Environment zeigen im Vergleich zu herkömmlichen Gussverfahren enorme Senkung der Treibhausgasemissionen

NEW HAVEN (Connecticut/USA), August 01, 2023--(BUSINESS WIRE)--Die Additive Manufacturer Green Trade Association („AMGTA"), eine globale Interessenvertretung mit Schwerpunkt auf der Entwicklung und Förderung nachhaltiger Verfahren in der additiven Fertigung, gab heute die vorläufigen Ergebnisse einer Studie zur Lebenszyklusanalyse mit dem Titel „Comparative Life-Cycle Assessment: Comparison of Casting vs Binder Jetting for an Industrial Part" bekannt. Im Rahmen der von der AMGTA in Auftrag gegebenen Studie, die von der Yale School of the Environment (YSE) in Zusammenarbeit mit Desktop Metal (NYSE: DM), einem weltweit führenden Anbieter von AM-Technologien für die Massenproduktion, sowie mit Trane Technologies (NYSE: TT), einem global tätigen innovativen Unternehmen im Bereich Klimaanlagen, durchgeführt wurde, wurden Stahlspiralkühler von Heizungs-Lüftungs-Klimaanlage von Trane analysiert, um die Umweltauswirkungen der Fertigung im 3D-Druck im Binder-Jetting-Verfahren im Vergleich zur herkömmlichen Metallgussfertigung zu ermitteln.

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Desktop Metal’s binder jet 3D printing technology (Photo: Desktop Metal)

„Vor diesem Projekt stellte die Ungewissheit über die beim Binder-Jetting-Verfahren im Laufe des gesamten Lebenszyklus entstehenden Emissionen im Vergleich zu konventionellen Fertigungsmethoden ein Hindernis bei der Einführung der additiven Fertigung dar", so Kevin Klug, Lead Additive Manufacturing Engineer von Trane Technologies. „Die Ergebnisse dieser Studie ermöglichen es Trane Technologies, die Kosten, die Produktivität und die Umweltauswirkungen der additiven Fertigung in einer früheren Phase des Produktentwicklungszyklus zu berücksichtigen, wenn das Risiko noch am geringsten und der potenzielle Nutzen am größten ist."

Die wichtigsten Ergebnisse der Studie:

• Signifikante Senkung der Treibhausgasemissionen. Beim additiven Fertigungsprozess mit dem Binder-Jetting-Verfahren zeigte sich bei den untersuchten Teilen eine Senkung der Treibhausgasemissionen um 38 Prozent im Vergleich zum herkömmlichen Gussverfahren.

• Bedeutung des Energiemixes. Ähnlich wie bei früheren Ergebnissen belegte die Studie, dass der Energiemix der Produktionsanlage am Standort der Energieerzeugung und die Frage, ob die Energie nachhaltig erzeugt wurde, einen signifikanten Einfluss auf die Treibhausgasemissionen haben.

• Vernachlässigbare Bedeutung des Leichtbaus. Die Studie ergab zudem, dass der potenzielle Nutzen einer Umgestaltung des Stahlspiralkühlers zur Gewichtsreduzierung unter Verwendung einer Gitterstruktur hinsichtlich der Treibhausgasemissionen vernachlässigbar ist. Die Gesamtabmessungen der gefertigten Teile und die effiziente Nutzung des Bauvolumens spielten eine wesentlich wichtigere Rolle als die Leichtbauweise. Die Leichtbauweise kann jedoch bei der Nutzung der Werkstücke zu Umweltvorteilen führen, die bei dieser Studie nicht untersucht wurden.

• Umweltauswirkungen bei der Materialherstellung. Die Studie hat zwar gezeigt, dass die Umweltauswirkungen bei der Herstellung des pulverförmigen Ausgangsmaterials etwa doppelt so hoch sind wie bei der Herstellung von Stahlguss. Dieser Anstieg macht jedoch bei den gesamten Treibhausgasemissionen nur einen kleinen Anteil aus und spielt für das Gesamtergebnis keine wesentliche Rolle.

• Insgesamt entstehen im Binder-Jetting-Verfahren nachhaltigere Bauteile. Die drastische Reduktion der Treibhausgasemissionen durch den geringeren Energiebedarf des Binder-Jetting-Verfahrens im Vergleich zur herkömmlichen Fertigung war bei weitem das wichtigste Ergebnis der Studie der YSE.

„Die Veröffentlichung dieser Ergebnisse ist von großer Bedeutung für die additive Fertigungsindustrie und für Unternehmen im Fertigungssektor im Allgemeinen, die auf der Suche nach nachhaltigeren Fertigungsmethoden sind", so Sherri Monroe, Executive Director der AMGTA. „Dank dieser Studie sind wir in der Lage, den geringeren Energiebedarf des Binder-Jetting-Verfahrens im Vergleich zum herkömmlichen Gussverfahren zu quantifizieren und bezüglich der vernachlässigbaren Auswirkungen des Leichtbaus in diesem speziellen Anwendungsszenario möglicherweise für einige überraschende Ergebnisse zu sorgen."

Einer der wesentlichen Faktoren für das zweistellige jährliche Wachstum der additiven Fertigung in den vergangenen zehn Jahren war die Einführung des Binder-Jetting-Verfahrens in verschiedenen Industriezweigen.

„Wir freuen uns sehr über eine weitere unabhängige Studie, die bestätigt, dass das Binder-Jetting-Verfahren eine umweltfreundlichere Methode für die Fertigung von Metallteilen darstellt", so Jonah Myerberg, Chief Technology Officer von Desktop Metal. „Die schädlichen Emissionen aus der herkömmlichen Fertigung von Metallteilen müssen durch innovative Technologien reduziert werden. Die Hersteller benötigen fundierte Daten und kein Greenwashing, um kluge Entscheidungen hinsichtlich der Produktionsweise ihrer Metallprodukte treffen zu können. Diese neue Studie von Yale, Trane Technologies und AMGTA belegt, wovon wir von Desktop Metal aufgrund unserer praktischen Erfahrung schon seit langem überzeugt sind: Das Binder-Jetting-Verfahren ist eine umweltfreundlichere Methode zur Herstellung von Metallteilen."

Im Rahmen der zweijährigen Studie der YSE wurde der gesamte Lebenszyklus von Spiralsätzen von deren Entstehung bis zum Verlassen des Werkstors (Cradle-to-Gate) untersucht, die aus einer stationären und einer rotierenden Spirale bestehen und von Trane Technologies als Teil von Heizungs-Lüftungs-Klimaanlagen hergestellt werden. Die AMGTA hatte die Studie 2021 in Auftrag gegeben, um das Potenzial des Binder-Jetting-Verfahrens als nachhaltigeres Produktionsverfahren im Vergleich zum herkömmlichen Sandguss zu erforschen. Im Rahmen der Studie wurde ein herkömmlicher Gussprozess mit anschließender Bearbeitung, Beschichtung und Endbearbeitung in Mexiko untersucht. Am selben mexikanischen Standort wurde auch die Fertigung von Spiralsätzen derselben Art im additiven Binder-Jetting-Verfahren mit 3D-Druck, Aushärtung und Sinterung, gefolgt von den gleichen Beschichtungs- und Endbearbeitungsschritten, untersucht.

Die Ergebnisse der Studie zeigten eine Senkung der Treibhausgasemissionen um 38 Prozent beim additiven Fertigungsprozess im Vergleich zum herkömmlichen Gussverfahren. Aufgrund der Charakteristik des Binder-Jetting-Verfahrens kamen die Forscher der YSE zu dem Schluss, dass eine Umstellung auf eine Gitterstruktur nicht zwangsläufig zu einer weiteren Senkung der Treibhausgasemissionen führen würde, vor allem da die Nutzung von Gitterstrukturen im Hinblick auf den für die Schritte Drucken, Aushärten und Sintern erforderlichen Stromverbrauch keinen Einfluss hätte. Die Analyse zeigt, dass eine Senkung der Masse des Spiralsatzes um 10 Prozent zu einer Senkung der Treibhausgasemissionen um nur 1 Prozent führen würde.

Die Treibhausgasemissionen über den gesamten Lebenszyklus werden stark durch den Energiemix am Produktionsstandort beeinflusst. Bei dieser Studie wurden sowohl der herkömmlich gefertigte Teilesatz als auch der additiv gefertigte Teilesatz am selben Standort mit demselben Energiemix beurteilt. Die Wissenschaftler untersuchten auch andere potenzielle Produktionsstandorte und deren jeweiligen Energiemix. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Empfindlichkeit bezüglich der Umweltfreundlichkeit des Stromnetzes beim Vergleich der additiven Fertigung mit herkömmlichen Verfahren berücksichtigt werden muss, um eine aussagekräftige Schlussfolgerung zu gewährleisten. Zwar bietet die Produktion an einem umweltfreundlicheren Standort bei beiden Produktionsverfahren ökologische Vorteile. Die Unterschiede bezüglich der Umweltbelastung beider Verfahren werden jedoch geringer, je umweltfreundlicher der Energiemix ist. Auch das Produktionsvolumen spielt eine wichtige Rolle bei den Treibhausgasemissionen der additiven Fertigung, insbesondere bei einer weniger effizienten Nutzung des Bauvolumens und bei kleinen Chargengrößen.

„Trane Technologies hinterfragt mutig das, was man für eine nachhaltigere Welt tun kann", so Kevin Klug weiter. „Dazu gehört auch die Entwicklung innovativer Klimatisierungslösungen, die mit einer geringeren Umweltbelastung hergestellt und genutzt werden können. Die additive Fertigung von Metallen ist ein immer wichtigeres Verfahren für dieses Bestreben. Dank der vergleichsweise höheren Geschwindigkeit und der niedrigeren Kosten ist das Binder-Jetting-Verfahren im Vergleich zu anderen additiven Fertigungsverfahren besonders vielversprechend für die Herstellung von HLK-Komponenten in relevanten Produktionsmengen."

„Diese in Kooperation mit Desktop Metal durchgeführte Studie ist ein klarer Gewinn für Hersteller wie Trane, die auf der Suche nach nachhaltigeren Fertigungsoptionen sind. Das Binder-Jetting-Verfahren ist eine bewährte Technologie mit klaren, quantifizierbaren Vorteilen gegenüber herkömmlichen Verfahren", so Sherri Monroe. „Wir wissen die Führungsposition von Trane bei der Anwendung nachhaltigerer Praktiken zu schätzen. Wir danken dem Unternehmen für die Teilnahme an dieser Studie und für seine Bereitschaft, eigene Prozesse und Daten zur Verfügung zu stellen. Wir möchten uns auch für das Interesse von Trane bedanken, diese Informationen einem breiteren Zielpublikum aus der Fertigungsindustrie bereitzustellen."

Die wichtigsten Ergebnisse der Studie sind auf der Website der AMGTA abrufbar. Die ungekürzten Ergebnisse werden voraussichtlich Anfang 2024 nach einem Peer-Review-Verfahren veröffentlicht. Die AMGTA plant die Veröffentlichung weiterer unabhängiger Studien im Laufe des Jahres 2023. Weitere Informationen zu dieser und anderen von der AMGTA durchgeführten Studien finden Sie auf der Website der AMGTA unter www.AMGTA.org.

Über die AMGTA

Die AMGTA wurde 2019 gegründet, um die ökologischen Vorteile der additiven Fertigung für die Weltwirtschaft besser zu verstehen und darzustellen. Die Mitglieder der AMGTA repräsentieren das gesamte Spektrum der Fertigungsbranche – von der Konstruktion und den Rohstoffen bis hin zu den Endprodukten und den Anwendern – und streben nach Innovationen für bessere, nachhaltigere und finanziell vorteilhaftere Produkte durch die besten Praktiken der additiven Fertigung. Für weitere Informationen kontaktieren Sie bitte Sherri Monroe oder besuchen Sie www.amgta.org.

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