Die Kreislaufwirtschaft im FFF-3D-Druck. Ziel: null Abfall

Kreislaufwirtschaft, die eng mit dem Recycling verbunden ist, bezieht sich auf einen systemischen Ansatz, der darauf abzielt, die Ressourcennutzung zu optimieren, die Abfallproduktion zu minimieren und deren Wiedereingliederung in den Produktionszyklus zu fördern, wodurch der Energieverbrauch, der Einsatz von Rohstoffen und die Abfallmenge reduziert werden.

Es ist ein Produktions- und Konsummodell, das darauf ausgelegt ist, die Lebensdauer von Produkten, Materialien und Ressourcen so lange wie möglich zu verlängern, im Gegensatz zum traditionellen linearen Modell (entnehmen–produzieren–nutzen–wegwerfen). Die Kreislaufwirtschaft schlägt vor:

• Design für Langlebigkeit, Wiederverwendung, Reparatur und Recycling.
• Reduzierung des Verbrauchs von Rohstoffen.
• Optimierung der Prozesse zur Minimierung von Abfall und Emissionen.
• Förderung von Wirtschaftsmodellen, die auf Teilen, Wiederverwendung oder Dienstleistungen basieren.

Dieser Ansatz zielt darauf ab, den Lebenszyklus von Produkten zu schließen, indem regenerative Systeme geschaffen werden, die die Umweltbelastung reduzieren und die Ressourceneffizienz erhöhen.

In diesem Zusammenhang kann der 3D-Druck eine wichtige Rolle spielen. Es handelt sich um einen additiven Herstellungsprozess, bei dem nur das für das Bauteil notwendige Material verwendet wird, ohne Abfall, im Gegensatz zur subtraktiven Fertigung, bei der Material abgetragen wird, bis das gewünschte Teil entsteht, was Abfall erzeugt.

Bild 1: Additive Fertigung versus subtraktive Fertigung. Quellen: Raise3D, Daniel Smyth.

Das stimmt jedoch nicht ganz, denn beim FFF 3D-Druck entstehen ebenfalls Abfälle, wenn auch in wesentlich geringerem Prozentsatz. Hier eine kurze Zusammenfassung der Arten und wie sie vermieden werden können:

Material, das in Stützstrukturen oder für die Haftung (wie Flöße, Röcke und ähnliches) verwendet wird: Obwohl dies je nach Bauteil und Ausrichtung stark variieren kann, ist es je nach Modell und verwendetem Material oft unvermeidbar, was Abfall erzeugt.

Bild 2: Modell mit Stützstrukturen und Flößen. Quelle: Formlabs.

Um dies zu vermeiden, sollten Topologie und Ausrichtung der Teile sorgfältig gewählt werden, um die Nutzung von Stütz- und Haftmaterial zu reduzieren. Konfigurationseinstellungen wie die Verwendung von Füllmaterial zum Spülen, unterschiedliche Stütztypen oder sogar manuelle Anpassungen helfen, den Materialeinsatz für Stützen oder Füllungen zu verringern, was Zeit und Kosten spart.

Bild 3: Dasselbe Modell in verschiedenen Ausrichtungen kann erhebliche Einsparungen bewirken. Quelle: Filament2Print.

Spülvorgänge in Multi-Material-Systemen: Wenn ein anderes Material für Stützen verwendet wird oder Spulen verschiedener Farben kombiniert werden, entstehen sogenannte Spültürme. Der verschwendete Materialanteil kann dabei höher sein als das tatsächlich im Bauteil verwendete Material:

Bild 4: In diesem Beispiel sind 73 % des Materials verschwendet. Quelle: Filament2print.

Diese Art von Verschwendung zu reduzieren, ist schwierig. Optionen wie das Spülen im Füllmaterial können unerwünschte Effekte wie Farbvermischung haben oder je nach Materialkombination unmöglich sein.

Eine Alternative ist die Option "Spülen auf ein Objekt" und das Verwenden des Spülmaterials zum Drucken eines anderen Modells, bei dem Farb- oder Materialmischungen unproblematisch sind.

Bild 5: Spülungen können zum Drucken anderer Objekte verwendet werden. Quelle: Reddit.

Spulenreste: Selbst bei maximaler Optimierung zur Abfallvermeidung bleibt immer ein gewisser Materialrest. Zu klein für einen neuen Druck, und trotz Filamentsensoren ist es zwischen Laden und Spülen schwierig, ihn zu nutzen.

Bild 6: Spulenrest. Quelle: Reddit.

Der Einsatz von Dual-Extruder-Systemen wie in der Raise3D Pro 3 HS oder Multi-Material-Systemen wie dem AMS von Bambu Lab oder dem MMU3 von Prusa ermöglicht eine sogenannte "Filamentsicherung". Dabei wird der Druck mit einer zweiten Spule fortgesetzt, wenn die erste leer ist. Dies vermeidet Spulenreste, erzeugt jedoch weiterhin Spülabfälle wie zuvor beschrieben.

Dieser Materialabfall sowie unvermeidbare ästhetische oder funktionale Fehler beim Spulenwechsel lassen sich mit einem Werkzeug wie dem Sunlu Filamentverbinder leicht vermeiden:

Bild 7: Sunlu Filamentverbinder. Einfach und zuverlässig. Quelle: Sunlu.

Die Enden der zu verbindenden Filamente werden in das Rohr eingeführt, dieses in den Verbinder gesteckt, geschlossen, und… Voilà! Es entsteht eine perfekte Verbindung, die druckbereit ist. Ganz zu schweigen von dem interessanten Effekt, wenn zusätzlich ein Farbwechsel stattfindet.

Bild 8: Druckbeispiele mit zusammengesetzten Filamenten in verschiedenen Farben. Quelle: Reddit.

Fehldrucke oder bereits erfüllte Funktionen: Zusätzlich zu allen vorherigen Beispielen gibt es Situationen, in denen ein Teil misslungen ist oder seine Funktion (Schablonen, Werkzeuge, Prototypen) nicht mehr erfüllt und somit zum Abfall wird.

Obwohl die Verwendung qualitativ hochwertiger Drucker, Zubehör und Filamente dazu beitragen kann, Fehldrucke zu vermeiden, ist es nahezu unmöglich, diese Möglichkeit vollständig auszuschließen. Dann gibt es noch jene Teile oder Werkzeuge, die nach der Nutzung nicht mehr benötigt werden. Was ist in solchen Fällen zu tun?

Bild 9: Behälter mit Abfallmaterial. Quelle: Reddit.

Wiederverwendung und Recycling von Druckabfällen

Nachdem die Abfallerzeugung auf ein Minimum reduziert wurde, bleibt für die unvermeidbaren Reste die Frage des Materialrecyclings. Die Kreislaufwirtschaft, ein Wirtschaftsmodell, das darauf abzielt, Abfall zu minimieren und die Ressourcennutzung effizienter zu gestalten, wie in der Einleitung erwähnt, passt perfekt zu dieser Praxis. In diesem Zusammenhang wird das Recycling von Filament zu einem wichtigen Element, da es Plastikabfälle in neue Ressourcen verwandelt, den Lebenszyklus des Materials schließt und die Abfallproduktion nahezu auf Null mit einem sehr geringen Energieaufwand reduziert. Der Fokus liegt hier auf der physikalischen Verarbeitung, also dem Zerkleinern, Schmelzen und Extrudieren des Thermoplasts für Recycling und Wiederverwendung.

Das Recycling von Filament im 3D-Druck ist eine innovative Praxis, die in der additiven Fertigung zunehmend an Bedeutung gewinnt. Dieses Verfahren ermöglicht nicht nur die Reduzierung von Plastikabfällen, sondern fördert auch die Nachhaltigkeit, indem Materialien ein zweites Leben erhalten, die sonst auf der Müllkippe landen würden. Heute gibt es sehr erschwingliche Geräte, die nahezu abfallfreies Arbeiten ermöglichen.

Bild 10: Recycling- und Wiederverwendungsprozess. Quelle: MDPI

Um Abfälle im 3D-Druck optimal zu nutzen, ist es entscheidend, alle Aspekte des Prozesses zu berücksichtigen:

Materialtrennung: Nicht alle Thermoplaste sind recycelbar, und bei den recycelbaren kann es nötig sein, einen Anteil an neuem Material (nicht recycelt) hinzuzufügen, damit das Endmaterial seine Eigenschaften nicht verliert. Vor dem Hintergrund der unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften der Thermoplaste ist daher eine sorgfältige Trennung unerlässlich.

Die folgende Tabelle zeigt einige Beispiele verschiedener Thermoplasttypen und ihre Anforderungen an das Recycling:

Andere Thermoplaste können technisch recycelt werden, stellen jedoch aufgrund ihrer Zusammensetzung, Verstärkungen oder thermischer Zersetzung größere Herausforderungen dar.

Es ist unerlässlich, unterschiedliche Materialtypen getrennt zu halten, wenn das Material korrekt verarbeitet und ein optimales Ergebnis erzielt werden soll, da jede Art von Thermoplast unterschiedliche Eigenschaften besitzt. PLA, ABS, PETG, ASA usw. sollten daher separat gelagert werden, um unerwünschte Effekte wie Verstopfungen, Verunreinigungen oder Gasentwicklung zu vermeiden. Besonderes Augenmerk gilt dabei den Additiven. Beispielsweise bleibt bei der gemeinsamen Verarbeitung von PLA und PLA-CF (PLA mit Kohlefaser) die Kohlefaser im Endergebnis enthalten.

Abfallverarbeitung (Zerkleinerung): Nachdem das Ausschussmaterial getrennt wurde, muss es für die spätere Verwendung aufbereitet werden. Hierfür wird z. B. ein Zerkleinerer wie die 3devo GP20 eingesetzt. Dank ihres Trichters und der automatischen Geschwindigkeitsregelung vermeidet sie Verstopfungen, zerkleinert das Material in passend große Stücke mittels integriertem Filter und hält die Temperatur unter Kontrolle, um ein Verschmelzen zu verhindern.

Es gibt weitere Alternativen, wie den Felfil Zerkleinerer, der ein einfacheres Design hat und für Werkstätten oder Testlabore gedacht ist, um ebenfalls diese Aufbereitung durchzuführen.

Bild 11: Plastik aufbereitet im 3devo GP20. Quelle: 3Devo.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Zerkleinerung wichtiger ist, als es scheint, da zu große Stücke zu Granulaten führen können, die nicht vollständig extrudieren oder Verstopfungen verursachen, während zu kleine Stücke oder zu hohe Temperaturen den Kunststoff und seine Eigenschaften verschlechtern würden.

Extrusion und Aufwicklung:

Nachdem das Material getrennt und in handhabbare Granulate umgewandelt wurde, muss es extrudiert werden – entweder um neues Filament auf einer Aufwickelmaschine zu erzeugen oder direkt mit einem Granulatextruder. In beiden Fällen ist es wichtig, eine angemessene Mischung aus recyceltem Material, Neumaterial oder gewünschten Additiven herzustellen, da dies die Homogenität und Eigenschaften des Endprodukts bestimmt.

Für die Herstellung neuer Spulen gibt es zwei Hauptansätze: einen Extruder wie den Felfil Evo zu verwenden, der sowohl recyceltes als auch neues Material mit einer beheizten Extrusionsschnecke schmilzt, und das Material dann in eine Aufwickelmaschine wie die Felfil Spool + zu geben, die den Filamentdurchmesser überwacht und das Filament auf eine neue Spule wickelt.

Bild 12: Recyclingprozess mit unabhängigen Zerkleinerer, Extruder und Aufwickler. Quelle: Felfil.

Diese Methode hat Vorteile, wie die pädagogische Sichtbarkeit des gesamten Prozesses, sehr nützlich in Klassenzimmern und Laboren, oder die Kostenreduktion bei Ersatz oder Änderung einzelner Komponenten.

Alternativ gibt es 2-in-1-Lösungen, also Extruder/Aufwickler in einem Gerät, die die Arbeit erleichtern, wie der Filament Maker TWO von 3devo. Diese Maschine verfügt über einen Behälter oben, in den Material (Mischung aus recyceltem und Neumaterial) und sogar Additive wie Farbstoffe, Fasern etc. eingefüllt werden können. Über die benutzerfreundliche Seitenbildschirm-Oberfläche werden die gewünschten Parameter (Temperatur, Geschwindigkeit, Durchmesser ...) eingestellt und die Maschine erledigt den Rest. Das Filament wird einfach auf der Spule gehalten.

Bild 13: Filament Maker TWO. Quelle: 3Devo.

Abschließend gibt es „All-in-One“-Lösungen wie den Protocycler v3 von Redetec. Er zerkleinert (manuell), extrudiert und wickelt das Material in einem einzigen Gerät. Ideal als kompakte und kostengünstige Recyclinglösung.

Eine weitere, vielleicht etwas randständige Option ist die direkte Verwendung des Materials in einem Drucker mit Granulatkopf oder zur Durchführung von Spritzguss. Dadurch entfällt der Bedarf an Extrudern oder Aufwicklern, und man kann direkt das recycelte Material für Drucke und Projekte verwenden.

Bild 14: Drucker mit Granulatkopf und Spritzgussmaschine. Quelle: Piocreat, RobotFactory.

In diesem Video ist der komplette Recyclingprozess zu sehen, hier der der Filamentspulen selbst, sowie die Möglichkeiten zur experimentellen Nutzung und Personalisierung.

Video 1: Recycling von Spulen zur Herstellung von Filament. Quelle: Made with Layers.

Zusammenfassung:

Wir haben gesehen, wie Abfälle, die bei der filamentbasierten additiven Fertigung entstehen, sowohl reduziert als auch wiederverwendet werden können. Aber was sind die Vorteile? Vielfältig und zahlreich:

• Vorteile für den professionellen Sektor

Neben den klaren Umwelt- und Nachhaltigkeitsvorteilen – da das Material nahezu unbegrenzt mit minimalem Energieaufwand wiederverwendet werden kann – bedeutet dies auch Kosteneinsparungen durch Materialwiederverwendung.

Es hilft, Nachhaltigkeitsziele zu erreichen, die zunehmend bei Ausschreibungen, Vorschriften oder internationalen Normen gefordert werden, und fügt eine Ebene von Innovation und Differenzierung durch die Verwendung von zirkulären Materialien oder zertifizierten ökologischen Prozessen hinzu.

Darüber hinaus schafft es Geschäftsmöglichkeiten. Sobald das Ziel eines 3D-Druck-Abfall-freien Systems erreicht ist, kann dieselbe Infrastruktur auf Materialien wie Plastikflaschen, Einwegbecher usw. angewendet werden.

• Vorteile für Forschung, Bildung und Maker-Sektoren

Neben allen bereits erwähnten Vorteilen ermöglicht dieser Prozess Experimente mit Materialkombinationen in verschiedenen Proportionen zur Erstellung kundenspezifischer Mischungen, zum Beispiel durch die Verwendung von Additiven und Virgin-Material-Granulat.

Außerdem haben die aus recyceltem Material gefertigten Teile einzigartige Eigenschaften.

Bild 15: Objekte aus recyceltem Material gedruckt. Quelle: 3devo.

All dies zeigt, dass die Kreislaufwirtschaft im Filament-3D-Druck nicht nur die Umweltbelastung reduziert, sondern auch wirtschaftliche und strategische Vorteile bietet, die mit dem Wandel hin zu verantwortungsvollerer und effizienterer additiver Fertigung übereinstimmen. Diese Prozesse können zu einem nachhaltigeren System im Einklang mit den Prinzipien der Kreislaufwirtschaft beitragen und helfen, eine grünere und verantwortungsvollere Zukunft zu fördern. Nur wenige Prozesse können auf diesem Niveau der Wiederverwendung und Null-Abfall verfeinert werden.