AMGTA-Forschung zeigt nachhaltige Vorteile des Binder Jet 3D-Drucks

Die Binder-Jet-3D-Drucktechnologie von Desktop Metal. Bild mit freundlicher Genehmigung von Desktop Metal.

Die Additive Manufacturer Green Trade Association gibt die vorläufigen Ergebnisse einer Lebenszyklusanalysestudie mit dem Titel „Vergleichende Lebenszyklusbewertung: Vergleich von Gießen und Binder Jetting für ein Industrieteil“ bekannt. Die von der AMGTA in Auftrag gegebene und von der Yale School of the Environment (YSE) in Zusammenarbeit mit Desktop Metal und Trane Technologies durchgeführte Studie analysierte einen Stahlspiralkühler in einem HVAC-System von Trane, um die vergleichende Auswirkung von Binder Jet 3D auf die Fertigung zu ermitteln Drucken versus traditioneller Metallguss.

Die vorläufigen Ergebnisse bestätigten eine Reduzierung der Treibhausgasemissionen (THG) um 38 % durch das Binder-Jetting-Verfahren, was vor allem auf den geringeren Energiebedarf während der Produktionsphase zurückzuführen ist.

„Vor diesem Projekt war die Unsicherheit über die Lebenszyklusemissionen des Binder-Jetting im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsansätzen ein Hindernis für die Einführung von AM“, sagt Kevin Klug, leitender Ingenieur für additive Fertigung bei Trane Technologies. „Dank der Ergebnisse dieser Studie ist Trane Technologies besser in der Lage, die Kosten, die Produktivität und die Umweltauswirkungen von AM bereits früher im Designzyklus eines Produkts umfassend zu berücksichtigen, wenn das Risiko am geringsten und der potenzielle Nutzen am höchsten ist.“

Zu den wichtigsten Erkenntnissen aus der Studie gehören:

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

Einer der Treiber für das zweistellige jährliche Wachstum in der additiven Fertigung im letzten Jahrzehnt war die Einführung von Binder Jetting in zahlreichen Branchen, angetrieben durch Kostenvorteile, große Produktionsmengen und das Potenzial für Nachhaltigkeitsgewinne.

„Wir freuen uns über ein weiteres Stück unabhängiger Drittforschung, das bestätigt, dass Binder Jetting ein umweltfreundlicherer Ansatz für die Produktion von Metallteilen ist“, sagt Jonah Myerberg, Chief Technology Officer von Desktop Metal. „Schadliche Emissionen aus der traditionellen Metallherstellung müssen durch innovative Technologieansätze gesenkt werden, aber Hersteller benötigen fundierte Daten – kein Greenwashing –, um gute Entscheidungen darüber zu treffen, wie sie ihre Metallprodukte herstellen. Diese neue Studie von Yale, Trane Technologies und AMGTA zeigt, was unser Team bei Desktop Metal aufgrund unserer praktischen Erfahrung seit langem glaubt: Binder Jetting ist eine umweltfreundlichere Methode zur Herstellung von Metallteilen.“

Die zweijährige YSE-Studie analysierte den Herstellungslebenszyklus eines Scroll-Sets, bestehend aus einer festen und einer umlaufenden Scroll, die von Trane Technologies als Teil eines HVAC-Systems hergestellt wurden. Die AMGTA hat die Studie im Jahr 2021 in Auftrag gegeben, um das Potenzial des Binder-Jetting als Ersatz für den traditionellen Sandguss als nachhaltigere Produktionsmethode besser zu verstehen. Die Studie bewertete einen traditionellen Gussprozess, gefolgt von Bearbeitungs-, Beschichtungs- und Endbearbeitungsschritten in Mexiko. Das gleiche Scroll-Set-Design wurde durch einen additiven Binder-Jetting-Prozess mit 3D-Druck, Aushärtung und Sintern bewertet, gefolgt von denselben Galvanisierungs- und Endbearbeitungsschritten am selben Standort in Mexiko.

Die Ergebnisse der Studie zeigten eine Reduzierung der Treibhausgasemissionen um 38 % für den additiven Herstellungsprozess im Vergleich zum herkömmlichen gussbasierten Verfahren. Aufgrund der Art des Binder-Jetting kamen die YSE-Forscher zu dem Schluss, dass eine Umgestaltung zur Gewichtsreduzierung durch eine gitterartige Struktur nicht unbedingt zu einer zusätzlichen Reduzierung der Treibhausgasemissionen führen muss, vor allem weil der Großteil des Stromverbrauchs im Zusammenhang mit den Schritten Drucken, Aushärten und Sintern verbraucht würde nicht durch gitterartige Strukturen beeinträchtigt werden. Die Analyse legt nahe, dass eine 10-prozentige Massenreduzierung des Spiralsatzes zu einer Reduzierung der Treibhausgasemissionen um 1 % führen würde.

Die Lebenszyklus-THG-Emissionen wurden erheblich durch den lokalen Energiemix am Produktionsstandort beeinflusst. Für diese Studie wurden sowohl der traditionell gefertigte Teilesatz als auch der additiv gefertigte Teilesatz am selben Standort mit demselben Energiemix bewertet. Darüber hinaus bewerteten die Forscher weitere potenzielle Produktionsstandorte und deren entsprechende Energiemixe. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese Empfindlichkeit gegenüber der „Reinheit“ des Netzes beim Vergleich von AM mit herkömmlichen Verfahren berücksichtigt werden muss, um eine gültige Schlussfolgerung zu gewährleisten. Während die Produktion an einem nachhaltigeren Energiestandort für beide Produktionsprozesse Umweltvorteile bietet, nimmt der Unterschied in den Umweltauswirkungen zwischen den Methoden ab, je „grüner“ der Energiemix wird. Auch die Produktionsvolumina spielen eine wichtige Rolle bei den Treibhausgasemissionen der additiven Fertigung, insbesondere bei der weniger effizienten Nutzung von Bauvolumina und Kleinserienbetrieben.

„Trane Technologies ist bestrebt, mutig herauszufordern, was für eine nachhaltige Welt möglich ist“, fügt Kevin Klug hinzu. „Dazu gehört die Entwicklung fortschrittlicher Klimatisierungslösungen, die mit geringerer Umweltbelastung hergestellt und betrieben werden können. Metalladditive Fertigung (AM) wird dabei zu einem immer praktikableren Werkzeug werden, und die vergleichsweise höhere Geschwindigkeit und die geringeren Kosten des Binder-Jetting unter den AM-Technologien machen es besonders vielversprechend für die Herstellung von HVAC-Komponenten bei 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“, sagt Sherri Monroe. „Wir schätzen die Führungsrolle von Trane bei der Verfolgung nachhaltigerer Praktiken, ihre Teilnahme an dieser Studie, ihre Bereitschaft, ihre Prozesse und Daten zu teilen, und ihr Interesse, diese Informationen mit der breiteren Fertigungsgemeinschaft zu teilen.“

Höhepunkte der Studie finden Sie auf der Website der AMGTA. Die vollständigen Ergebnisse werden voraussichtlich Anfang 2024 nach einem Peer-Review-Prozess veröffentlicht. Die AMGTA geht davon aus, im Laufe des Jahres 2023 weitere unabhängige Forschungsergebnisse zu veröffentlichen. Weitere Informationen zu dieser und anderen von der AMGTA durchgeführten Studien finden Sie auf der AMGTA-Website www.AMGTA.org.

Quellen: Vom Unternehmen erhaltene Pressematerialien und zusätzliche Informationen auf der Website des Unternehmens.

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