Uni­ver­si­tät Bay­reuth erforscht Addi­ti­ve Fer­ti­gung im Leichtbau

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Res­sour­cen scho­nen, das Kli­ma schützen

Die Her­stel­lung von Pro­duk­ten aus nur einem Mate­ri­al ist nach­hal­tig: Res­sour­cen wer­den geschont, das Recy­cling erheb­lich ver­ein­facht. Das neue Pro­jekt Mono­Mat an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth will mit Hil­fe der Addi­ti­ven Fer­ti­gung errei­chen, dass Leicht­bau­pro­duk­te in den Berei­chen Medi­zin, Sport und Life­style in hoher Qua­li­tät aus einem ein­zi­gen Mate­ri­al her­ge­stellt wer­den kön­nen. Das Mate­ri­al soll wie­der­holt mit mög­lichst gerin­gen Ver­lu­sten recy­celt und in ver­schie­de­nen Pro­dukt­klas­sen ein­ge­setzt wer­den kön­nen. Das Bun­des­mi­ni­ste­ri­um für Wirt­schaft und Kli­ma­schutz för­dert das Vor­ha­ben, an dem auch vier indu­stri­el­le For­schungs­part­ner betei­ligt sind, bis Ende 2023 mit knapp 1,3 Mil­lio­nen Euro.

Die Addi­ti­ve Fer­ti­gung (3D-Druck) gewinnt der­zeit in allen Indu­strie­bran­chen erheb­lich an Bedeu­tung. Mit die­ser Tech­no­lo­gie las­sen sich qua­li­ta­tiv hoch­wer­ti­ge All­tags­pro­duk­te, die teil­wei­se sehr kom­ple­xe Funk­tio­nen erfül­len, aus jeweils einem ein­zi­gen Mate­ri­al in einer kur­zen Pro­zess­ket­te fer­ti­gen. Der Mate­ri­al- und Ener­gie­ver­brauch ist dadurch erheb­lich nied­ri­ger als bei Pro­duk­ten, die mit her­kömm­li­chen Ver­fah­ren aus ver­schie­de­nen Mate­ria­li­en und in ent­spre­chend umfang­rei­chen Pro­zes­sen her­ge­stellt wer­den. „Unge­lö­ste Her­aus­for­de­run­gen betref­fen aller­dings die Wie­der­ver­wen­dung. Genau hier setzt das Pro­jekt Mono­Mat an: Unser Ziel ist es, die im Addi­ti­ven Fer­ti­gungs­ver­fah­ren ver­wen­de­ten Mate­ria­li­en mög­lichst voll­stän­dig und wie­der­holt so zu recy­celn, dass sie Teil einer bran­chen­über­grei­fen­den öko­lo­gi­schen Kreis­lauf­wirt­schaft wer­den“, sagt Pro­jekt­lei­ter Prof. Dr.-Ing. Ste­phan Trem­mel, der an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth den Lehr­stuhl für Kon­struk­ti­ons­leh­re und CAD inne­hat. Zugleich sind auch der Lehr­stuhl für Umwelt­ge­rech­te Pro­duk­ti­ons­tech­nik unter der Lei­tung von Prof. Dr.-Ing. Frank Döp­per sowie der Lehr­stuhl für Bio­me­cha­nik unter der Lei­tung von Prof. Dr. Franz Kon­stan­tin Fuß an Mono­Mat beteiligt.

Ein neu­es Kaskadenmodell

Im Fokus des Pro­jekts ste­hen die Mate­ri­al­klas­se der Poly­me­re und ihre Anwen­dun­gen in der Medi­zin, im Sport und im Life­style. Gera­de in die­sen Berei­chen müs­sen zahl­rei­che Pro­duk­te den indi­vi­du­el­len Anfor­de­run­gen und Wün­schen der Kund*innen ange­passt wer­den, damit sie zu einer erhöh­ten Lebens­qua­li­tät im All­tag bei­tra­gen kön­nen. Bei­spie­le sind Soh­len für Lauf­schu­he, Schuh­plat­ten, Schien­bein­scho­ner, Pro­the­sen oder Orthe­sen. Für das Design, die Pro­duk­ti­on und das Recy­cling sol­cher Pro­duk­te haben die Bay­reu­ther Wissenschaftler*innen ein Kas­ka­den­mo­dell kon­zi­piert, das Medi­zin, Sport und Life­style mit­ein­an­der ver­zahnt. Dabei wer­den ver­schie­de­ne High­tech-Ver­fah­ren ver­knüpft: das High Speed Sin­te­ring (HSS), das Laser Sin­te­ring (LS), das Extru­si­on Addi­ti­ve Manu­fac­tu­ring (EAM) und das Spritzgießen.

Das Konzept der kaskadierten Recycling-Zyklen. Grafik: UBT / Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD.

Das Kon­zept der kas­ka­dier­ten Recy­cling-Zyklen. Gra­fik: UBT / Lehr­stuhl für Kon­struk­ti­ons­leh­re und CAD.

Am Anfang des Kas­ka­den­mo­dells steht die Addi­ti­ve Fer­ti­gung von Pro­duk­ten, die für indi­vi­dua­li­sier­te Anwen­dun­gen in der Medi­zin eine her­aus­ra­gen­de Qua­li­tät auf­wei­sen müs­sen. Dabei kom­men die Sin­ter­ver­fah­ren HSS und LS zum Ein­satz. Sind die Pro­duk­te nicht län­ger ver­wend­bar, wird das Mate­ri­al recy­celt: Je nach­dem, in wel­chem Zustand es sich befin­det, wird es erneut zu Medi­zin­pro­duk­ten ver­ar­bei­tet, oder es fin­det Anwen­dung im Sport oder im Life­style – also in Berei­chen, in denen qua­li­ta­ti­ve Anfor­de­run­gen an Mate­ri­al­ei­gen­schaf­ten leich­ter erfüll­bar sind. Auch für die Mate­ri­al­ex­tru­si­on (EAM) steht das recy­cel­te Mate­ri­al zur Ver­fü­gung. Bei die­sem Ver­fah­ren wird es so oft wie­der­ver­wen­det, bis es sich letzt­lich abge­nutzt hat. Dann kann es für das Spritz­gie­ßen in der Mas­sen­pro­duk­ti­on wei­ter­ver­wen­det werden.

Leicht­bau-Demon­stra­to­ren, die als kon­kre­te Anwen­dun­gen aus dem Kas­ka­den­mo­dell her­vor­ge­hen, sol­len die Mög­lich­kei­ten und Gren­zen die­ses neu­en Ansat­zes aus­lo­ten. Die inter­dis­zi­pli­nä­re Zusam­men­ar­beit zwi­schen Inge­nieur- und Sport­wis­sen­schaf­ten auf dem Bay­reu­ther Cam­pus gewähr­lei­stet, dass die für die Kund*innen wich­ti­gen Funk­tio­nen der Pro­duk­te und res­sour­cen­spa­ren­de, umwelt­freund­li­che Her­stel­lungs­pro­zes­se opti­mal auf­ein­an­der abge­stimmt sind.

Bei­trä­ge zum Klimaschutz

Ein beson­de­rer Aspekt des Pro­jekts ist die Berech­nung der Treib­haus­gas-Emis­sio­nen, die künf­tig durch die Anwen­dung des Kas­ka­den­mo­dells ein­ge­spart wer­den kön­nen. Für die­se Pro­gno­sen wol­len die Bay­reu­ther Wissenschaftler*innen eine Metho­de anwen­den, die nicht nur die jewei­li­gen Mate­ria­li­en und Pro­duk­ti­ons­pro­zes­se, son­dern auch das Recy­cling und öko­lo­gi­sche Aus­wir­kun­gen wie Neben­pro­duk­te und Abfäl­le in Betracht zieht. Auf die­se Wei­se soll das Pro­jekt Mono­Mat zei­gen, wel­chen kon­kre­ten Nut­zen die Kom­bi­na­ti­on aus Leicht­bau und Addi­ti­ver Fer­ti­gung für den Kli­ma­schutz haben kann.

Koope­ra­tio­nen mit Industriepartnern

Part­ner der Uni­ver­si­tät Bay­reuth im Pro­jekt Mono­Mat sind die Neue Mate­ria­li­en Bay­reuth GmbH, die AM Poly­mers GmbH in Wil­lich, die Oechs­ler AG in Ans­bach und die Hans Weber Maschi­nen­fa­brik GmbH in Kro­nach. Drei wei­te­re Unter­neh­men sind dem Pro­jekt asso­zi­iert: das rahm Zen­trum für Gesund­heit GmbH in Trois­dorf, Aevo­lu­ti­on in Bay­reuth sowie die Hea­dis GmbH in Kai­sers­lau­tern. Für die Erfor­schung, Wei­ter­ent­wick­lung und Nut­zung der Addi­ti­ven Fer­ti­gung hat die Uni­ver­si­tät Bay­reuth bereits 2020 die For­schungs­stel­le Cam­pus Additive.Innovationen (CA.I) ein­ge­rich­tet, in der Wissenschaftler*innen aus fünf Fakul­tä­ten gemein­sam mit Indu­strie­part­nern an inno­va­ti­ven Lösun­gen arbeiten.

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