Seien Sie grün: „Zurückkehren“ zu Schrott

Jul 09, 2023

Was denken Sie, wenn jemand „Schrott“ oder „zurücksetzen“ sagt? Gehen Sie zu einem Wörterbuch und Sie werden Synonyme wie „nutzlos“, „wertlos“ oder „wirkungslos“ finden. Diese Assoziationen sind tiefgreifend und es ist eine Herausforderung, diese Wahrnehmungen zu ändern. Wenn die Branche der additiven Fertigung (AM) jedoch ihre wirtschaftliche und ökologische Nachhaltigkeit verbessern will, müssen wir uns auf eine Änderung unserer Einstellung zu Schrott und damit auf eine Widerlegung des gesamten Konzepts einlassen.

Eine unabhängige Qualifizierung ist der Schlüssel, um die Bedenken der Hersteller hinsichtlich recycelter, überarbeiteter oder verjüngter Materialien auszuräumen. Durch strenge Tests nach realen Produktionsstandards können die alten Assoziationen in Frage gestellt werden und AM kann selbstbewusst einen nachhaltigeren Weg einschlagen.

Die Herstellung hat von Natur aus Auswirkungen auf die Umwelt. Einen Teil der natürlichen Welt zu nehmen – sei es Stein, Holz, Mineralien oder Metalle – und ihn in etwas Nützliches umzuwandeln, bedeutet, grundlegende Ressourcen zu gewinnen und Energie und weitere Ressourcen für deren Umwandlung aufzuwenden.

Einige der größten ökologischen und wirtschaftlichen Auswirkungen entstehen allein dadurch, dass die Materialien in die richtige Form gebracht werden, um sie verarbeiten zu können. Die Gewinnung, Verarbeitung, Raffinierung, der Transport und die anschließenden Abfallströme wirken sich weitaus stärker auf die Nachhaltigkeit aus als die im physischen Herstellungsprozess verbrauchte Energie.

Metalle und Legierungen stellen besondere Herausforderungen bei der Gewinnung und Verarbeitung dar und erfordern über mehrere Verarbeitungsschritte hinweg große Mengen an Energie und Ressourcen. Schätzungen zufolge sind allein die Stahlindustrie für etwa 7 % der weltweiten Kohlenstoffemissionen verantwortlich. Dies ist einerseits vielleicht nicht überraschend, wenn man bedenkt, dass im Jahr 2021 weltweit fast 2 Milliarden Tonnen Rohstahl produziert wurden. Aber es ist auch ein Hinweis auf die übergroßen Auswirkungen, die die Reduzierung der CO2-Emissionen aus den Wertschöpfungsketten für Metalle und Legierungen im Wettlauf um Netto-Null haben könnte.

Pulverbettverfahren sind bei weitem die am häufigsten verwendeten Metall-AM-Technologien, bei denen entweder Laser- oder Elektronenstrahl-Energiequellen zum Einsatz kommen. Während AM nur einen sehr geringen Prozentsatz der in der globalen Fertigungsindustrie verwendeten Materialien und hergestellten Teile ausmacht, nimmt der Prozess schnell zu.

Die Kluft zwischen AM-Fähigkeiten und Fertigungsanforderungen wird kleiner, je ausgereifter die Technologien sind, wodurch mehr Berührungspunkte für die Anwendungsentwicklung entstehen.

Es wird mehr Wert auf Wiederholbarkeit, Qualität, Qualifizierung und Zertifizierung von AM-Prozessen gelegt. Eine zunehmend ganzheitliche Sicht auf das AM-Ökosystem treibt die Technologie auch in Richtung einer echten Industrialisierung.

Darüber hinaus ändern sich die Anforderungen in der Fertigung in einer Weise, die sie den Möglichkeiten der additiven Fertigung näher bringt. Kleinere Auflagen, Just-in-Time-Fertigung und Ersatzteile auf Abruf bringen AM ins Spiel und ermöglichen, dass additiv gefertigte Teile die traditionelle Fertigung ersetzen. Daher ist es wichtig, dass AM jetzt auf seine Nachhaltigkeit achtet, damit die Wirkung durch eine stärkere Akzeptanz in den kommenden Jahren noch verstärkt wird.

Die Wahl der Materialien ist eine Schlüsselkomponente bei der Erreichung von Nachhaltigkeitszielen in der gesamten Fertigung. Nirgendwo ist dies deutlicher als bei Metallpulvern. Herkömmliche Pulverproduktionstechnologien wie die Gaszerstäubung (GA) und die Plasmazerstäubung (PA) sind erheblich ineffizient und umweltschädlich.

GA, die gebräuchlichste Technik zur Herstellung von Metall-AM-Pulvern, erzeugt Pulverpartikel mit einer typischen Größe von einem bis 250 Mikrometer. Laser-Powder-Bed-Fusion-Maschinen (LPBF) können jedoch nur Pulverpartikelgrößen innerhalb eines Fensters von 15–63 Mikrometern verarbeiten (einzelne Systeme oder Anwendungen machen dieses Fenster oft viel enger).

PA hat die gleichen geringen Ausbeuten wie GA, und daher ist das gesamte zerstäubte Pulver für AM weitgehend ungeeignet. Das bedeutet, dass der Nutzanteil das ökologische und ökonomische Gewicht des erzeugten Kleinpulvers trägt. Das Material mit der falschen Größe wird oft wieder in den Altherstellungsprozess zurückgeführt, verbraucht mehr Energie und erhöht den CO2-Fußabdruck, ohne einen Mehrwert zu schaffen. Titan wird gezielt verbrannt oder landet auf einer Mülldeponie, was eigene Umweltprobleme mit sich bringt.

Eine zusätzliche Herausforderung für zerstäubt hergestelltes Pulver ist der Bedarf an Rohmaterial, entweder Barren für GA oder Draht für PA. Bei diesen Prozessen können entweder neue Materialien verwendet werden, die mit der Gewinnung eine inhärente Umweltauswirkung haben, oder es werden Barren oder Drähte verwendet, die aus nicht-neuem Material hergestellt werden, das bereits vor Beginn des Zerstäubungsprozesses mehr Kohlenstoff erzeugt und große Energiemengen verbraucht hat. Insbesondere für PA stellt dies nicht nur eine zusätzliche Umweltbelastung dar, sondern schränkt auch die verarbeitbaren Metallpulver, die erzeugt werden können, erheblich ein.

Das UniMelt-System von 6K ist ein Mikrowellen-Plasma-Verfahren im Produktionsmaßstab, das fortschrittliche Materialien für AM, die Herstellung von Lithium-Ionen-Batteriematerialien und andere Industriemärkte herstellt. Extrem hohe Erträge bei geringerem Energieeinsatz tragen dazu bei, dass das UniMelt-System einige der Mängel älterer Technologien beseitigt. Darüber hinaus kann das System eine nahezu unbegrenzte Vielfalt an Metallen und Legierungen, einschließlich schwer zu verarbeitender feuerfester Materialien, mit streng kontrollierten chemischen und physikalischen Eigenschaften verarbeiten. Dies ist ein positiver Kreislauf, der es AM ermöglicht, mehr Herausforderungen zu bewältigen, mit denen Hersteller konfrontiert sind, und die Einführung weiter zu beschleunigen.

Die vielleicht größte wirtschaftliche und ökologische Auswirkung des Systems ist seine Fähigkeit, „Schrott“ als Rohstoff zu verwenden. Gebrauchte Pulver, gebrauchte Stützstrukturen, fehlerhafte Drucke, Bearbeitungsabfälle, ausgediente Teile und mehr können als Ausgangsmaterial für hochwertige Metallpulver verwendet werden. Aber kann eine Kreislaufwirtschaft für Metallpulver mit der Qualität von Neuware konkurrieren?

Der beste Weg, eine Meinung oder eine fest verankerte Assoziation zu ändern, sind unabhängig ermittelte Beweise. Wie schlägt sich nachhaltiges Metallpulver im Vergleich zu Material aus herkömmlichen Produktionsmethoden in einer realen Produktionsumgebung?

Morf3D ist ein in El Segundo (Kalifornien) ansässiges, führendes Unternehmen im Bereich Engineering, fortschrittliche Fertigung und Metall-AM mit Schwerpunkt auf dem Luft- und Raumfahrtsektor. Im Rahmen seines Strebens nach Nachhaltigkeit qualifizierte das Unternehmen nachhaltig hergestelltes Ni 718-Pulver von 6K Additive in einer Produktionsumgebung in seinem Metallurgy Centre of Excellence und arbeitet derzeit an Ni 625.

Morf3D verglich das nachhaltig produzierte Pulver von 6K Additive mit Daten seiner alten GA-produzierten Materialien. Die Testteile zeigten, dass das nachhaltig hergestellte Ni 718 von 6K Additive die mit traditionell GA-produziertem Pulver hergestellten Teile übertraf oder übertraf. CT-Scans zur Untersuchung der physikalischen Eigenschaften ergaben, dass das Pulver von 6K Additive eine hohe Konsistenz auf Partikelebene mit ausgezeichneter Sphäroidizität und bis zu zweimal geringerer Pulverporosität als das von GA hergestellte Pulver aufwies. Durch konsistente Pulver entstehen konsistente Teile, was zu weniger Abfall führt.

Zur Prüfung der mechanischen Eigenschaften wurden Testcoupons auf einer EOS 400-4 mit einer Schichtdicke von 40 µm und den Produktionsparametern von Morf3D hergestellt. Es wurden gedruckte, bearbeitete, nicht wärmebehandelte und wärmebehandelte Muster hergestellt, um Teile direkt aus der Maschine sowie solche zu beurteilen, die für Produktionsteile repräsentativer sind. Wärmebehandelte und maschinell bearbeitete Probestücke wurden einem Zugtest unterzogen und lieferten einen konsistenten Datensatz ohne abweichende Ergebnisse.

Die Testcoupons übertrafen die Mindestanforderungen von Morf3D und übertrafen die alten Materialdaten. Bei Ermüdungstests wurde festgestellt, dass das nachhaltige Ni718 die erwarteten Industriestandards übertraf und die alten Daten erneut übertraf. Teile, die mit 6K-Additivpulver hergestellt wurden, zeigten durchweg eine bessere Oberflächengüte als Teile, die mit herkömmlichem Pulver hergestellt wurden.

Während Nachhaltigkeit zu Recht ganz oben auf dem Gewissen jedes Verbrauchers, auf der Tagesordnung jeder Vorstandssitzung und in jedem Nachrichtenzyklus steht, ist es wichtig, dass sich AM mit dem Thema auseinandersetzt. Ökologische und wirtschaftliche Erfordernisse sind zunehmend so eng miteinander verknüpft, dass der einzig gangbare Weg heute ein nachhaltiger ist. Darüber hinaus bieten Kreislaufwirtschaften die Möglichkeit, den Kostenbeitrag von Metallen durch Recyclingsysteme zu reduzieren, die die nächste Materialcharge erleichtern.

Wir werden uns auch den Mehrwert der Verwendung von Schrott für die Sicherheit der Lieferkette angesichts der geopolitischen Situation für einen weiteren Tag aufsparen. Überlegen wir also noch einmal, was Schrott ist, was er sein könnte und was wir in Zukunft brauchen: nicht das Ende der Fahnenstange, sondern nur ein weiterer Schritt in einer fortwährenden Kreislaufwirtschaft.

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