AMGTA: Neue Studie zeigt Vorteile des Binderjet-3D-Drucks für die Nachhaltigkeit

Die Additive Manufacturer Green Trade Association (“AMGTA”), ein globaler Interessenverband, der sich für die Förderung nachhaltiger Verfahren in der additiven Fertigung einsetzt, hat die vorläufigen Ergebnisse einer Lebenszyklusanalyse mit dem Titel “Comparative Life-Cycle Assessment: Comparison of Casting vs Binder Jetting for an Industrial Part” veröffentlicht.

Die von der AMGTA in Auftrag gegebene und 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, und Trane Technologies (NYSE: TT), einem globalen Klima-Innovator, durchgeführte Studie analysierte einen Stahlspiral-Kühler in einem HLK-System von Trane, um die vergleichenden Auswirkungen des Binder-Jet-3D-Drucks auf die Herstellung im Vergleich zum herkömmlichen Metallguss zu ermitteln. Die vorläufigen Ergebnisse bestätigen eine drastische Reduzierung der Treibhausgasemissionen (THG) um 38 % durch das Binder-Jetting-Verfahren, die in erster Linie auf den geringeren Energiebedarf während der Produktionsphase zurückzuführen ist.

“Vor diesem Projekt war die Ungewissheit über die Lebenszyklusemissionen des Binderstrahlverfahrens im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren ein Hindernis für die Einführung von AM”, sagte Kevin Klug, leitender Ingenieur für Additive Fertigung bei Trane Technologies. “Mit den Ergebnissen dieser Studie ist Trane Technologies in einer besseren Position, um die Kosten, die Produktivität und die Umweltauswirkungen von AM zu einem früheren Zeitpunkt im Designzyklus eines Produkts umfassend zu berücksichtigen, wenn das Risiko am geringsten und der potenzielle Nutzen am größten ist.”

Zu den wichtigsten Erkenntnissen der Studie gehören:

• Signifikante Reduzierung der Treibhausgasemissionen: Das additive Verfahren zeigte eine 38%ige Verringerung der Treibhausgasemissionen auf der Grundlage des Binderstrahlverfahrens im Vergleich zum traditionellen Gießen für die untersuchten Teile.
• Bedeutung des Energiemixes: Ähnlich wie frühere Ergebnisse ergab die Studie, dass der Energiemix der Produktionsanlage am Ort der Erzeugung und die Frage, ob dieses Energienetz mit nachhaltigen Mitteln erzeugt wurde, einen erheblichen Einfluss auf die Treibhausgasemissionen haben.
• Unbedeutender Wert der Umgestaltung zur Gewichtsreduzierung: Die Studie ergab, dass der potenzielle Nutzen eines Redesigns des Scroll-Kühlers für Leichtbau unter Verwendung einer gitterartigen Struktur im Hinblick auf die Treibhausgasemissionen unbedeutend war. Die Gesamtabmessungen der herzustellenden Teile und die effiziente Nutzung des Druckvolumens spielten eine weitaus wichtigere Rolle als die Leichtbauweise. Die Leichtbauweise kann in der Nutzungsphase Umweltvorteile bringen, die in dieser Studie nicht berücksichtigt wurden.
• Auswirkungen der Materialproduktion: Obwohl diese Studie zeigte, dass die Umweltauswirkungen der Produktion von Strahlmittelpulver etwa doppelt so hoch waren wie die des Stahlgusses, machte dieser Anstieg nur einen kleinen Teil der gesamten Treibhausgasemissionen aus und spielte bei den Gesamtergebnissen keine wesentliche Rolle.
• Insgesamt wurde durch das Binder-Jetting ein nachhaltigeres Teil hergestellt: Die drastische Verringerung der THG-Emissionen durch den Energiebedarf beim Binder Jetting im Vergleich zur herkömmlichen Fertigung war bei weitem das wichtigste Ergebnis der YSE-Studie.

“Die Veröffentlichung dieser Ergebnisse ist von großer Bedeutung für die AM-Industrie und für Unternehmen im breiteren Fertigungssektor, die nach nachhaltigeren Produktionsmethoden suchen”, sagte Sherri Monroe, Geschäftsführerin der AMGTA. “Mit dieser Studie sind wir in der Lage, den geringeren Energiebedarf des Binder-Jetting im Vergleich zum traditionellen Gießen zu quantifizieren und möglicherweise einige Überraschungen hinsichtlich der vernachlässigbaren Auswirkungen des Leichtbaus in diesem speziellen Anwendungsfall zu liefern.”

Eine der Triebfedern für das zweistellige jährliche Wachstum der additiven Fertigung in den letzten zehn Jahren war die Einführung des Binder-Jetting-Verfahrens in zahlreichen Branchen, angetrieben durch Kostenvorteile, große Produktionsmengen und das Potenzial für mehr Nachhaltigkeit.

“Wir freuen uns über eine weitere unabhängige Studie, die bestätigt, dass Binder Jetting ein umweltfreundlicherer Ansatz für die Herstellung von Metallteilen ist”, sagte Jonah Myerberg, Chief Technology Officer bei Desktop Metal. “Die schädlichen Emissionen aus der traditionellen Metallherstellung müssen mit innovativen technologischen Ansätzen gesenkt werden, aber die Hersteller brauchen fundierte Daten – und kein Greenwashing -, um gute Entscheidungen über die Art und Weise zu treffen, wie sie ihre Metallprodukte herstellen. Diese neue Studie von Yale, Trane Technologies und AMGTA beweist, was unser Team bei Desktop Metal aufgrund unserer praktischen Erfahrung schon lange glaubt: Binder Jetting ist ein umweltfreundlicherer Weg, Metallteile herzustellen.”

Die zweijährige YSE-Studie untersuchte den Lebenszyklus von der Wiege bis zum Tor eines Schneckensatzes, der aus einer festen Schnecke und einer umlaufenden Schnecke besteht und von Trane Technologies als Teil eines HLK-Systems hergestellt wird. Die AMGTA gab die Studie im Jahr 2021 in Auftrag, um das Potenzial des Binderstrahlverfahrens als nachhaltigeres Produktionsverfahren anstelle des traditionellen Sandgusses besser zu verstehen. In der Studie wurde ein traditionelles Gussverfahren mit anschließender Bearbeitung, Beschichtung und Endbearbeitung in Mexiko untersucht. Dasselbe Schneckendesign wurde mit einem additiven Binder-Jetting-Verfahren mit 3D-Druck, Aushärtung und Sinterung, gefolgt von denselben Beschichtungs- und Endbearbeitungsschritten, am selben Standort in Mexiko untersucht.

Die Ergebnisse der Studie zeigten eine 38%ige Reduzierung der Treibhausgasemissionen für das additive Fertigungsverfahren im Vergleich zum traditionellen Gussverfahren. Aufgrund der Art des Bindemittelstrahls kamen die YSE-Forscher zu dem Schluss, dass eine Neukonzeption für Leichtbau über eine gitterartige Struktur nicht unbedingt zu einer zusätzlichen Verringerung der THG-Emissionen führt, vor allem weil der Großteil des Stromverbrauchs im Zusammenhang mit den Druck-, Aushärtungs- und Sinterschritten durch gitterartige Strukturen nicht beeinflusst würde. Die Analyse deutet darauf hin, dass eine 10-prozentige Verringerung der Masse des Schneckensatzes zu einer 1-prozentigen Verringerung der Treibhausgasemissionen führen würde.

Die THG-Emissionen über den gesamten Lebenszyklus wurden erheblich durch den lokalen Energiemix am Produktionsstandort beeinflusst. Für diese Studie wurden sowohl der traditionell als auch der additiv gefertigte Teilesatz am gleichen Standort mit dem gleichen Energiemix bewertet. Die Forscher untersuchten auch weitere potenzielle Produktionsstandorte und die entsprechenden Energiemixe. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass beim Vergleich von AM mit traditionellen Verfahren die Sensibilität für die “Sauberkeit” des Netzes berücksichtigt werden muss, um eine gültige Schlussfolgerung zu gewährleisten. Während die Produktion an einem nachhaltigeren Energiestandort für beide Produktionsverfahren Umweltvorteile bietet, nimmt der Unterschied in den Umweltauswirkungen zwischen den Methoden ab, je “grüner” der Energiemix wird. Auch das Produktionsvolumen spielt eine wichtige Rolle bei den Treibhausgasemissionen der additiven Fertigung, insbesondere bei weniger effizienter Nutzung des Bauvolumens und bei kleinen Chargen.

“Trane Technologies hat es sich zur Aufgabe gemacht, das Machbare für eine nachhaltige Welt herauszufordern”, fügte Kevin Klug hinzu. “Dazu gehört auch die Entwicklung fortschrittlicher Klimatisierungslösungen, die mit geringeren Umweltauswirkungen hergestellt und betrieben werden können. Die additive Fertigung von Metallen (AM) wird ein zunehmend brauchbares Werkzeug in diesem Bestreben sein, und die vergleichsweise höhere Geschwindigkeit und die niedrigeren Kosten des Binder-Jetting unter den AM-Technologien machen es besonders vielversprechend für die Herstellung von HVAC-Komponenten in relevanten Produktionsmengen.”

“Diese Studie in Zusammenarbeit mit Desktop Metal ist ein klarer Gewinn für Hersteller wie Trane, die nach nachhaltigeren Fertigungsoptionen suchen. Binder Jetting ist eine bewährte Technologie mit klaren und quantifizierbaren Vorteilen gegenüber herkömmlichen Methoden”, sagte Sherri Monroe. “Wir schätzen die Führungsrolle von Trane bei der Verfolgung nachhaltigerer Praktiken, ihre Teilnahme an dieser Studie, ihre Bereitschaft, ihre Prozesse und Daten mitzuteilen, sowie ihr Interesse, diese Informationen mit der breiteren Fertigungsgemeinschaft zu teilen.”