Universität Bayreuth erforscht Additive Fertigung im Leichtbau
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.
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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