Dezentralisierte Wertschöpfungsketten durch 3D- Druck und deren Umweltwirkungen

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1 Dezentralisierte Wertschöpfungsketten durch 3D- Druck und deren Umweltwirkungen 3D Druck Potentiale, Chancen und Herausforderungen 7. Lübecker Werkstofftag Michael Steinfeldt, Universität Bremen Lübeck, 30. November 2015

2 Technikgestaltung und Technologieentwicklung Arbeitsbereich Industrial Ecology Modellierung von Stoff- und Energieströmen (Ökobilanzen, product carbon footprint, corporate carbon footprint, ) Kreislaufwirtschaft Nachhaltige Metallwirtschaft Gefahrstoffsubstitution Einpassung des industriellen Stoffwechsels in den natürlichen Umgang mit komplexen Systemen 2

3 Arbeitsbereich Strategien der Klimaanpassung Projekt nordwest Resilientes Energieversorgungssystem in der Metropolregion Bremen-Oldenburg Arbeitsbereich Innovations- und Technikanalysen EU-Projekt SUN Sustainable Nanotechnologies EU-Projekt GreeNanoFilms EU-Projekt NanoSustain LCA ausgewählter Nanomaterialen BMBF-Projekt SynBioTA Synthetische Biologie Projekt Biomimetik Trends und Perspektiven Beratungstätigkeit: Enquete-, Risiko-, Nanokommission, Ausschuss für Gefahrstoffe 3

4 Hintergrund Projekt Dezentrale Produktion, 3D-Druck und Nachhaltigkeit zum BMBF-Foresight-Prozess Zukunftsfelder neuen Zuschnitts: ProduzierenKonsumieren2.0 IÖW, TU Hamburg, Universität Bremen Fallstudien zu ökologischen Effekten dezentralisierter Wertschöpfungsmuster unter Verwendung von 3D-Druck BMBF-Projekt COWERK. Commons-based Peer Production in Offenen Werkstätten. IÖW, Fraunhofer UMSICHT, Fraunhofer ISI, Multiplicities, Universität Bremen, Verbund Offener Werkstätten e.v. Nachhaltigkeitsbewertung Untersuchungsfeld: Fabrikation: FabLabs, Makerspaces und TechShops 4

5 Methodik: Ökobilanzierung Menschliches Wirtschaften erzeugt Umweltwirkungen und Ressourcenverbrauch Einige der verursachenden Größen (Emissionen, Energieverbrauch, Flächenverbrauch, ) können gemessen werden, andere (Toxizität, Risiken, ) nicht / kaum Für die Umweltwirkungen, die auf Stoff- und Energieflüsse beruhen, wurde ein Rahmenwerk zur Analyse geschaffen: Ökobilanzierung / Life Cycle Assessment Eine Ökobilanz ist eine Zusammenstellung und Beurteilung der Inputund Outputflüsse und der potenziellen Umweltwirkungen eines Produktsystems im Verlauf seines Lebensweges (ISO 14040) 5

6 Ökobilanzierung: Denken in Lebenszyklen von der Wiege bis zur Bahre (cradle-to-grave) Life-Cycle- Thinking Abb.: dlinkgreen.com 6

7 Phasen der Ökobilanz (ISO 14040/44) 7

8 Vermeintliche Vorteile des 3D Drucks ggü. herkömmlichen Verfahren Reduzierter Abfall im Herstellungsprozess bzw. Möglichkeit abfallfreier Produktion (Melba/Kurmann 2013, Bühner 2013) Verwendung gesundheitlich problematischer Stoffe wie Schneidflüssigkeiten wird hinfällig Erschließung von Leichtbaupotenzialen und damit potenzielle Reduktion des Energiebedarfs in der Nutzungsphase entsprechender Bauteile. Kosteneffiziente Herstellung seltener bzw. zuvor nicht erwerbbarer Ersatzteile (Woodcock 2011, 33) bzw. Aufarbeitung oder Wiederherstellung von Ersatzteilen und Produkten Verringerung des Transportbedarfs durch potenzielle Verkürzung globaler Herstellungsketten (Kurman / Lipson) bzw. Produktion vor Ort (Grundbaum 2013) Vermeintliche Nachteile des 3D Drucks ggü. herkömmlichen Verfahren Abfälle können u.a. durch Nacharbeiten der generativ gefertigten Bauteile anfallen (Woodcock 2011, 33) Energieverbrauch pro Einheit im unmittelbaren Produktionsprozess tendenziell höher als bei herkömmliche Verfahren (Huang u. a. 2012) Recyclebarkeit der verwendeten Materialien noch weitgehend unklar bzw. unerforscht (Bourell, Leu, und Rosen 2009, 29) Relativ einfache Herstellung von Produkten durch 3D Druck kann zu Mehrproduktion führen Erschließung von 3D Druck durch Laien erhöht Wahrscheinlichkeit der Herstellung fehlerhafter Bauteile oder Crapjects (Institute for the future 2011, 7) (Petschow, U. et al 2014) 8

9 3D gedruckte Produkte auf der Verkaufsplattform Etsy (im Uhrzeigersinn): anywordpens Custom 3D printed pen, 3D printed personalized Free-Hand case for iphone 5, Blue Random Geometry 3d Printed Ring ( In der Kombination der Aspekte neuer Akteursrollen und leicht zugänglicher Fertigungstechnologien ergibt sich ein Spektrum neuartiger Produktionskonstellationen 9

10 Vergleichende Ökobilanzierung des Produkts Handyschale, Bilanzrahmen Name FS1 Mass prod PVC FS2 Mass Cust PC FS3 Shapeways PA Min/Max FS4 Reg 3D-Druck PA Min/Max FS5 Druck Home PLA/PLA Rec Art der Produktion Massenproduktion Customizer Massenproduktion Individualisierte Produktion Individualisierte regionale Produktion Individualisierte Produktion zu Hause Produkt NOKIA Lumia820 Shell NOKIA Lumia820 Shell (personalisiert) NOKIA Lumia820 Shell NOKIA Lumia820 Shell NOKIA Lumia820 Shell Herstellungsort China Frankreich Eindhoven Berlin Berlin Lieferung nach Berlin Berlin Berlin Berlin (20km durch die Stadt (10km Hinund Rückweg Berlin (Lieferung entfällt) Nutzungsdauer 12 Monate 12 Monate 12 Monate 12 Monate 12 Monate und Annahmen Spritzguss 1% Produktionsausschuss; 20% Überproduktion Spritzguss 1% Produktionsausschuss 3-D-Druck mittels EOSINT P 390 Min: 30% Abfall 29,2 kwh/kg Max: 60% Abfall 66,02 KWh/kg 3-D-Druck mittels EOSINT P 390 Min: 30% Abfall 29,2 kwh/kg Max: 60% Abfall 66,02 KWh/kg 3-D-Druck mit Replicator 2 (MakerBot) Druckdauer: 90min Elektrische Leistungsaufnahme: 150 W Leistungsaufnahme Laptop: 60 W Material PVC PC PA PA PLA 10

11 Transportketten für das Produkt Handyschale in Abhängigkeit der Produktionstechnologie (Worobei 2013) 11

12 Transportketten für das Produkt Handyschale in Abhängigkeit der Produktionstechnologie (Worobei 2013) 12

13 Exemplarischer Bilanzierungsraum der Varianten FS5 Druck Home PLA P1:Rohstoffe P2:Emissionen T12:Transport, freight, rail T1:EE, Herstellung DE T10:Transport, transoceanic freight ship T7:Transport, lorry >16t, fleet average T2:Transport, lorry t, fleet average T15:Entsorgung, MVA T16:Entsorgung, Deponie T9:Transport, van <3.5t T6:EE-Verbrauch Laptop P3 P10 P8 T3:Transportkette T13:Herstellung P7PLA T5:Masterbatch P4Herstellung P5 T17:3-D-Druck P9 T4:Gebrauchsphase P6 T14:Entsorgung 13

14 Treibhauspotenzial 14

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16 Humantoxizitätspotenzial 16

17 Transportketten für das Produkt Flugzeugersatzteil in Abhängigkeit der Produktionstechnologie (Worobei 2013) 17

18 Vergleichende Ökobilanzierung des Produkts Flugzeugersatzteil, Bilanzrahmen FZ1 konv Al FZ2 MLS Al gleich Min FZ2 MLS Al gleich Max FZ3 MLS Al red Min FZ3 MLS Al red Max FZ4 MSL Al red + Nutzen Min FZ4 MSL Al red + Nutzen Max Konventionelle Herstellung über Aluminimguss und Metallbearbeitung; Annahmen: Gussausbeute 66,66%, 10% Bearbeitungsrückstände Herstellung mittels Metall Laser Sintern, Optimalvariante: geringer EE-Verbrauch und hoher Verarbeitungswirkungsgrad Herstellung mittels Metall Laser Sintern, Maximalvariante: hoher EE-Verbrauch und niedrigerer Verarbeitungswirkungsgrad Bionisches Design / optimertes Design führt zu einer Gewichtseinsparung von 40% (funktionelle Einheit: 0,6 kg) Herstellung mittels Metall Laser Sintern, Optimalvariante: geringer EE-Verbrauch und hoher Verarbeitungswirkungsgrad Bionisches Design / optimertes Design führt zu einer Gewichtseinsparung von 40% (funktionelle Einheit: 0,6 kg) Herstellung mittels Metall Laser Sintern, Maximalvariante: hoher EE-Verbrauch und niedrigerer Verarbeitungswirkungsgrad Bionisches Design / optimertes Design führt zu einer Gewichtseinsparung von 40% (funktionelle Einheit: 0,6 kg); zusätzlich Einbeziehung des Umweltnutzens (Kerosineinsparung, insgesamt 1500kg) in der Gebrauchsphase Herstellung mittels Metall Laser Sintern (Quelle Atkins), Optimalvariante: geringer EE-Verbrauch und hoher Verarbeitungswirkungsgrad Bionisches Design / optimertes Design führt zu einer Gewichtseinsparung von 40% (funktionelle Einheit: 0,6 kg); zusätzlich Einbeziehung des Umweltnutzens (Kerosineinsparung, insgesamt 1500kg) in der Gebrauchsphase Herstellung mittels Metall Laser Sintern (Quelle Atkins), Maximalvariante: hoher EE-Verbrauch und niedrigerer Verarbeitungswirkungsgrad 18

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23 Zusammenfassung Generative Fertigungsverfahren sind nicht per se umweltfreundlicher, abhängig von vielen Einflussfaktoren Generative Fertigungsverfahren haben aus Umweltsicht besonders dort Stärken, wo sie Material einsparen können (Biodesign) und/oder in der Nutzungsphase zu Umweltentlastungen führen Umweltwirkungen unterscheiden sich außerdem wesentlich durch die Art des Produktionsverfahrens sowie durch die Art des eingesetzten Materials Transporte (außer Transporte via Flugzeug) haben auf die Ökobilanz keinen großen Einfluss 23

24 Department 10 Technological Design and Development Head: Unit: Prof. Dr. Arnim von Gleich Innovation and Technology Assessment Dr. Bernd Giese Dipl.-Biol. Stefan Königstein Dipl.-Ing. Michael Steinfeldt Dipl.-Wi.-Ing. Henning Wigger Contact: Michael Steinfeldt Mail: Phone: +49-(0)