Daran forscht … SAMSax

Mit Stäuben aus Rest- und Sonderstoffen die Lücke zur Kreislaufwirtschaft schließen

Tagtäglich fallen in deutschen Unternehmen Unmengen an Produktionsrückstanden an, die zumeist „thermisch verwertet“, also verbrannt, oder anderweitig entsorgt werden. Das simul⁺-geförderte Modellprojekt Reallabor SAMSax sieht in diesen vermeintlichen Reststoffen und Abfällen jedoch wertvolle Ressourcen, deren Wieder- und Weiterverwendung es gerne ermöglichen möchte.

SAMSax ist ein interdisziplinäres Forschungsprojekt der drei Technischen Universitäten des Freistaates Sachsen und steht für „Sustainable Additive Manufacturing in Saxony“, also „Nachhaltige additive Fertigung in Sachsen“. Additive Fertigung, besser bekannt als 3D-Druck, bezeichnet Fertigungsverfahren, bei denen auf Grundlage dreidimensionaler Modelle Schicht um Schicht Bauteile hergestellt werden. SAMSax konzentriert sich hierbei insbesondere auf die Verfahren des Binder Jettings und der Pastenextrusion.

Vom Pulver zum Produkt – Das Binder Jetting-Verfahren

Binder Jetting ist ein additives Fertigungsverfahren, welche in den 1990er Jahren am Massachusetts Institute of Technology (MIT), USA, entwickelt wurde. Hierbei wird ein pulverförmiges Ausgangsmaterial an ausgewählten Stellen mit flüssigen Bindemitteln verbunden, um Werkstücke zu erzeugen. Die Technologie funktioniert somit ähnlich wie Tintenstrahldrucker – nur wird eben keine Tinte auf ein Blatt Papier aufgebracht, sondern eine dreidimensionale Form schichtweise mittels einer Binder-Pulver-kombination aufgebaut, wie das nachfolgende Video zeigt.

Im Vergleich zu anderen additiven Fertigungsverfahren, wie bspw. dem Laserstrahlschmelzen, benötigt Binder Jetting keine thermische Energie vor dem Auftragen des Materials auf die Bauteilplattform. Zudem zeichnet es sich durch seine große Materialoffenheit aus. Denn während viele additive Verfahren auf schmelzfähige Materialien, v.a. Kunststoffe, angewiesen sind, ermöglicht Binder Jetting auch die Verwendung alternativer Materialien, wie z.B. Holz oder Cellulose, solange diese in Pulverform vorlägen, was auch die Verwendung von Reststoffe ermögliche, wie die Projektkoordinatorin, Adelina Berkemeier, hervorhebt.

Wir haben also geschaut, wie neue Werkstoffe der Additiven Fertigung zugänglich gemacht oder wie diese besonders sinnvoll ausgewäht werden können. Und da sind wir auf relativ schnell auf das Thema Reststoffe gekommen.

Prof. Dr.-Ing. Henning Zeidler

Einer der Schwerpunkte von SAMSax liegt dementsprechend in der Identifikation und Aufbereitung von Reststoffen für die additive Fertigung; dazu gehören neben anorganischen Reststoffen aus der Industrie auch natürliche Reststoffe aus der Landwirtschaft. Besonders in Werkstätten oder Absauganlagen ließen sich große Mengen an Holz-, Papier- oder Textilstäuben finden, die man mit Hilfe additiver Fertigung zur Produktion von Werkstücken nutzen könnte, wie der Projektleiter, Prof. Dr.-Ing. Henning Zeidler, ausführt.

Da kann ich nochmal eine Nachnutzung für etwas machen, was eigentlich schon abgeschrieben ist.

Prof. Dr.-Ing. Henning Zeidler

Im Zuge verschiedener Projekte experimentierten die Forschenden u.a. auch mit Erodierschlämmen aus dem Werkzeugbau, mit Glasschleifstaub, mit Haselnussschalen, Aprikosenkernen sowie dem schnell wachsenden Miscanthus-Gras.

Ein Reallabor für die sächsische Wirtschaft

Stets auf der Suche nach neuen Materialien, schauen die SAMSax-Mitarbeitenden zum einen eigenständig in der Region, welche produzierenden Unternehmen es gibt, bei denen Reststoffe anfallen könnten, und treten mit diesen in Kontakt, um zu eruieren, in welcher Form und Menge diese vorliegen sowie ob Interesse besteht, diese im Labor untersuchen und verarbeiten zu lassen. Zum anderen können interessierte Unternehmen jederzeit selbstständig an das Forschungsteam herantreten, um ihre Reststoffe untersuchen zu lassen.

Die Materialanalyse erfolgt durch die Professur für Holztechnik und Faserstofftechnik an der Technischen Universität Dresden. Die Aufbereitung der pulverförmigen Reststoffe für die additive Fertigung verantwortet die Professur für Additive Fertigung der Technische Universität Bergakademie Freiberg (TUBAF). Die Professur Arbeitswissenschaften und Innovationsmanagement der Technischen Universität Chemnitz bereitet schließlich die gewonnenen Ergebnisse für das Fachpublikum wie auch die allgemeine Öffentlichkeit auf, um eine Weiternutzung der Erkenntnisse zu ermöglichen, und koordiniert zudem das SAMSax-Netzwerk, welches aktuell über 200 Mitglieder umfasst. SAMSax verbindet so auf innovative Weise Grundlagenforschung, Technologieentwicklung und Wissenstransfer.

Dabei steht das Projekt in einem spannenden Spannungsfeld zwischen Forschung und Praxis. Während das Reallabor einen starken Fokus auf die Weiterentwicklung innovativer Technologien und Konzepte legt, kennen produzierende Unternehmen die konkreten Bedürfnisse des Marktes in der Regel sehr gut. Daher ist der Austausch mit Unternehmer:innen für SAMSax eine wertvolle Quelle, um Einblicke in aktuelle Marktbedarfe zu erhalten. Durch diesen Dialog kann gezielt erkannt werden, welche Themen und Fragestellungen für den Markt besonders relevant sind und wo es sich lohnt, die Forschung weiter zu vertiefen. Dementsprechend können Unternehmen jederzeit mit Anwendungsideen, für die noch das richtige Material gesucht wird, auf die Forschenden zutreten. Die Wahl von Ausgangsmaterial und Verfahren ergibt sich letztlich aus den gewünschten Materialeigenschaften und Einsatzzwecken.

Wir versuchen […] die Anwenderinnen und Anwender mit den Reststofflieferanten zusammenzubringen und denen dann auch innerhalb unseres Labors die Möglichkeit zu geben, miteinander in Kontakt zu kommen und dann aber auch Dinge umzusetzen. Denn es ist ja oftmals nicht so, dass diejenigen, die Reststoffe in ihren Unternehmen haben, dann auch eine Anwendung haben. Und es gibt wiederum Unternehmen, die gar keine Reststoffe haben, aber sich vorstellen können, vielleicht was aus einem Reststoff zu fertigen.

Adelina Berkemeier

Der Aufbau des SAMSax-Reallabors wurde vom Freistaat Sachsen über den simul⁺-InnovationHub des Sächsischen Staatsministeriums für Regionalentwicklung (SMR) gefördert. Das Labor versteht sich als Experimentierraum, in dem kleinen und mittelständigen Unternehmen aus Sachsen noch bis Mitte 2025 kostenfrei eine Testumgebung zur Verfügung steht, in der sie das Potential additiver Fertigung unverbindlich ausprobieren können. SAMSax ermöglicht es so, Prototypen und Kleinserien zu testen, ohne zunächst eigene Investitionen tätigen zu müssen. Unternehmen erhalten dabei aber eben nicht nur Zugang zu modernster Technologie, sondern auch die Möglichkeit, im Netzwerk Kontakte zu knüpfen und gemeinsam an nachhaltigen Produkten zu arbeiten.

Falls Sie, liebe:r Leser:in, Reststoffe haben, für die Sie eine Weiterverwendung suchen, oder aber eine Anwendungsidee, für die Sie das richtige Material suchen, zögern Sie nicht, SAMSax zu kontaktieren.

Von der Theaterbühne bis zu Akustikdämmung – Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten

Grundsätzlich sei die additive Fertigung mit industriellen Rest- und naturbasierten Sonderstoffen in allen Branchen einsetzbar, jedoch eigne sich das Verfahren insbesondere für die Herstellung von (individualisierten) Einzelstücken oder Kleinserien. Nachhaltigkeit bedeute für das Projekt eben auch die Beachtung von Kosten-Nutzen-Relationen, wie Berkemeier betont.

Anbieten würde sich das Verfahren beispielsweise für die Verpackungsindustrie und Logistikbrache, wie Zeidler ausführt. Gerade für den Versand von Einzelstücken und höherpreisigen Gütern ließen sich so passgenaue und somit extra sichere wie auch kompakte Verpackungen herstellen, deren höhere Herstellungskosten sich durch geringere Lufttransportkosten relativieren würden. Zudem entfielen kostspielige Leertransporte, da die Verpackungen on demand hergestellt sowie nach Gebrauch wieder geschreddert und neu verdruckt werden könnten. In diesem Zusammenhang wurde in der Vergangenheit bspw. mit einem regionalen Kartonagehersteller zusammengearbeitet, dessen Kartonage-Zuschnitt-Staub so wieder der Produktion zugeführt werden konnte.

Auch für kurzlebige Möbel und Dekorationen, etwa für Festivals oder Messen, wäre das Verfahren denkbar. Anstatt diese außerhalb der Saison teuer einzulagern, könnte man sie auch schreddern und nach Bedarf neu fertigen.

Ein weiteres spannendes Anwendungsgebiet finde sich in der Innenarchitektur, denn viele pflanzliche Materialien haben eine geringe Dichte, wodurch sie sehr leicht sind, sowie oftmals innenliegende Hohlräume, wodurch sie gut dämmen können – sowohl Wärme als auch Schall, wie Zeidler hervorhebt. Da die additive Fertigung wiederum vollkommen freie Formen zulasse, könnten so Objekte geschaffen werden, die nicht nur dekorativ, sondern auch (multi)funktional sind, wie etwa Garderobenständer, die gleichzeitig Schall absorbieren.

Auch der Einsatz im Bausektor zur Weiterverwendung mineralischer Reststoffe sei denkbar.

Ein besonderes Highlight stellt für das Projektteam die Zusammenarbeit mit dem Theater Chemnitz dar, im Zuge derer Bühnendekoration aus Miscanthus-Gras hergestellt wurden. Wird das Bühnenbild nicht mehr benötigt, kann es problemlos wieder geschreddert werden, um das Material anschließend wieder aufzubereiten und erneut zu verdrucken. Dadurch wird nicht nur ein echter Materialkreislauf geschaffen, sondern auch das andernfalls oftmals verwendete, jedoch auf Erdöl basierende und folglich schwer abbaubare Styropor ersetzt.

Wie Zeidler betont, gehe es dem Projektteam nicht darum, Ersatzlösungen zu schaffen, die (annähernd) so gut seien wie herkömmliche Produkte, sondern wirkliche Produktinnovationen im Sinne größerer Nachhaltigkeit zu ermöglichen.

Förderung regionaler Kreisläufe – Weltweit

Die Professur für Additive Fertigung der TUBAF fördert aber nicht nur die Etablierung regionaler Stoffkreisläufe in Sachsen, sondern engagiert sich auch auf internationaler Ebene. Gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) sowie den Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD) wurde gemeinsam mit Partner:innen an der Jomo Kenyatta University of Agriculture an Technology in Juja, Kenia, ein Labor eingerichtet, das dem Freiberger Vorbild entspricht, damit kenianische Studierende und Forschende, die den SAMSax-Ansatz im Rahmen von Austauschprogrammen kennenlernen konnten, diesen vor Ort auch umsetzen und an ihre lokalen Gegebenheiten anpassen können. Das Ziel sei schließlich, jeweils lokale Rest- und Sonderstoffe zu nutzen anstatt sie von weither beschaffen zu müssen, wie Zeidler betont.

Ich kann mir natürlich sagen, ich hab‘ in Asien kubikkilometerweise Bambus – macht es aber Sinn, den hierher zu karren und hier zu verdrucken?

Prof. Dr.-Ing. Henning Zeidler

Während SAMSax also etwa mit slowenischen Haselnussschalen arbeitet, erforschen die kenianischen Kolleg:innen beispielsweise die Verwendung der Wasserhyazinthe für die additive Fertigung. Dabei handelt es sich um eine invasive Gewässerpflanze, die heimische Arten verdrängt und zudem dem Wasser zu viel Sauerstoff entzieht, wodurch auch die lokalen Fischbestände bedroht werden. Mit Hilfe des SAMSax-Ansatzes kann aus der Problempflanze ein (nahezu) kostenfreies Ausgangsmaterial werden, wodurch nicht nur die Umwelt entlastet, sondern auch die lokale Wertschöpfung gefördert werden könnte. Darüber hinaus ermöglicht das Vorgehen der lokalen Bevölkerung eine zusätzliche Einkommensquelle, da kenianische Bauer:innen und Fischer:innen für die Materialbeschaffung entlohnt werden könnten.

Wissenstransfer als Nachhaltigkeitsaspekt

Seine Forschungsergebnisse stellt SAMSax aber natürlich nicht nur sächsichen und kenianischen Partner:innen zur Verfügung.

Nachhaltigkeit ist für mich auch Wissenstransfer, denn das, was wir hier ansammeln, sollte nicht irgendwo untergehen, sondern auch nach außen getragen werden, damit auch jeder was davon hat.

Adelina Berkemeier

Alle Forschungsergebnisse sind dementsprechend auf der Projektwebsite zu finden. Zudem bereitet SAMSax aktuell die Informationen zu den bereits analysierten Materialien auf, um diese anschließend in die Datenbank des Material Hub der Sächsischen Landesbibliothek – Staats- und Universitätsbibliothek Dresden (SLUB) einzupflegen.

Auch eine Anleitung zum Umbau klassischer Filamentdrucker zum Druck mit pastösen Reststoffen wurde im Rahmen der Open Source Hardware Konferenz 2024 des OSHOP-Netzwerkes mit der interessierten Öffentlichkeit geteilt.

Darüber hinaus stellt SAMSax verschiedene Online-Lernkurse und -Videos bereit, mit denen Interesierte in interaktiver Form und verständlicher Sprache mehr über das Verfahren der additiven Fertigung mit Rest- und Sonderstoffen erfahren können.

Interview mit dem Projektleiter

Die nachfolgenden Auszüge entstammen einem Interview mit dem Projektleiter Prof. Dr.-Ing. Henning Zeidler, welches am 05.11.2024 im Institut für Additive Fertigung an der Technischen Universität Bergakademie Freiberg stattfand. Dieses sowie eine Laborführung mit der Projektkoordinatorin Adelina Berkemeier bilden eine Grundlage für den obigen Bericht.

Was ist Ihr Verständnis von „Nachhaltigkeit“?

Nachhaltigkeit heißt für uns, minimalen Ressourcenaufwand zu maximalem Nutzen zu bringen und zwar idealerweise so, dass ich abfallarm oder abfallfrei arbeite, wobei „Ressourcen“ natürlich die Wertstoffe, aber auch die Energie und so weiter einschließt.