Nachhaltigkeit trifft Innovation

Der 3D-Druck, auch additive Fertigung genannt, gewinnt in sämtlichen Branchen an Bedeutung, auch in der Medizin und im Sport. Besonders in diesen Bereichen besteht ein großer Wunsch nach individualisierten Produkten wie Schuhsohlen für Laufschuhe, Schienbeinschonern, Prothesen oder Orthesen. Individuelle Anpassungen erfordern jedoch eine hohe Flexibilität in der Fertigung. Gleichzeitig ist die Lebensdauer der Produkte begrenzt. „Beispielsweise tauschen die meisten ihre Laufschuhe oder Sneaker jährlich, oft aufgrund modischer Trends und nicht technisch bedingt. Dadurch fällt eine beachtliche Menge an Müll an“, sagt Dr.-Ing. Tobias Rosnitschek, Akademischer Rat am Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD der Universität Bayreuth. Allerdings gibt es bislang noch keine zufriedenstellenden Recyclingstrategien für Stoffströme innerhalb der additiven Fertigungsprozesse. Hier setzt das Projekt MonoMat an.

Ziel des Projekts ist die Herstellung von individualisierten Polymerprodukten in hoher Qualität aus einem einzigen Material, denn sortenreine Produkte lassen sich deutlich einfacher recyclen. „Möglich ist das, indem wir verschiedene Gitterstrukturen im 3D-Druck nutzen, die es uns erlauben, unterschiedliche Härten und Festigkeiten einfach zu realisieren. Durch individuelle Anpassungen der Einheitszelle – also der kleinsten sich wiederholenden Einheit eines Gitters – können die Produkte personalisiert werden, ohne dass Mehrkosten in der Entwicklung oder Fertigung entstehen“, so Professor Dr.-Ing. Stephan Tremmel, Leiter des Lehrstuhls für Konstruktionslehre und CAD sowie Koordinator des Projekts MonoMat.

Die Forschenden im Projekt MonoMat haben eine Kaskade aus unterschiedlichen 3D-Druckverfahren und konventionellen Herstellungsverfahren entwickelt, mit der die Mengen an Müll sowie Neumaterial signifikant gesenkt werden kann. Zunächst entsteht mittels additiver Fertigung ein individualisiertes Medizinprodukt, das herausragende Materialqualität aufweisen muss. Ist das Medizinprodukt nicht länger nutzbar, wird das Material mechanisch zerkleinert. Mit einem anderen 3D-Druckverfahren findet es anschließend Verwendung im Sport oder im Lifestyle, wo die Qualitätsanforderungen an das Rohmaterial geringer sind. Das Material wird so oft recycelt, bis es sich abgenutzt hat. Dann lässt es sich beispielsweise als Füllstoff in der Massenproduktion weiterverwenden. „Mit dieser Kaskade kann man das Material im ersten Leben beispielsweise als Orthese oder Schuhsohle einsetzen, im zweiten bis zum neunten Leben vielleicht als Rucksackpad, bevor es im zehnten Leben als Füllstoff im Spritzguss für eine Sonnenbrille genutzt wird“, erklärt Rosnitschek.

Auf Einladung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) stellte Prof. Dr.-Ing. Stephan Tremmel auf dem 5. Lightweighting Summit anlässlich der HANNOVER MESSE die Grundzüge und Ergebnisse des Projekts MonoMat vor. Der Lightweighting Summit wird jährlich vom BMWK veranstaltet und widmet sich dem Thema Leichtbau. Wie unterschiedliche 3D-Druckverfahren und Recyclingzustände des Materials dennoch zu gleichen effektiven Eigenschaften im Produkt führen können, zeigte Rosnitschek auf dem Lightweighting Summit am Beispiel eines Rucksacks, bei dem die Pads je mit unterschiedlichen Verfahren gefertigt wurden.