Ressourcen schonen, das Klima schützen: Universität Bayreuth erforscht Additive Fertigung im Leichtbau

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 und dabei verschiedene
Hightech-Verfahren verknüpft: das High Speed Sintering (HSS), das Laser
Sintering (LS), das Extrusion Additive Manufacturing (EAM) und das
Spritzgießen.

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.