FRAUNHOFER UMSICHT. Jürgen Bertling. Folie 1 Fraunhofer UMSICHT

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1 FRAUNHOFER UMSICHT Jürgen Bertling Folie 1

2 INSTITUTSLEITUNG ENERGIE ENERGIEANLAGE Abwärmeverstromung Druckluftenergiespeicher ENERGIESYSTEME Energieversorgungssysteme Energiesystemoptimierung CHEMISCHE ENERGIESPEICHER Thermochemische Speicher Katalytische Verfahren Biogas ELEKTRISCHE, THERMISCHE ENERGIESPEICHER Elektrochemische Speicher Thermische Energiespeicher und -systeme IDEENFABRIK: THINK TANK ENERGY PROZESSE BIORAFFINERIE- /KRAFTSTOFFE Biobasierte Chemikalien Biokraftstoffe, Kohlenwasserstoffe Thermochemische Konversion Spezialchemikalien, Formulierungen PROZESS- INTENSIVIERUNG Wasserprozesse Adsorptionsprozesse Aktive Oberflächen INFORMATIONS- TECHNIK IT-Infrastruktur IT-Services Anwendungsentwicklung Modellierung/ Simulation VERFAHRENS- TECHNIK Umweltbiotechnologie Bio-/Fluidverfahrenstechnik Biomasse-/Reststoffnutzung Membran-/Lebensmitteltechnik IDEENFABRIK Internationale Projekte Urbane Produktion AG Umwelt- und Prozesstechnik (RUB*) PRODUKTE WERKSTOFFSYSTEME Synthese und Funktionalisierung Verarbeitung- und Prüftechnik Prototyp, Design, Interaktion BIOBASIERTE KUNSTSTOFFE Polymerchemie Werkstoffentwicklung Verarbeitung und Anwendungen Musterproduktion, Prüftechnik LEDER-/HOCHDRUCK- TECHNIK Ledertechnik Hochdruck-Imprägnierung Hochdruck- Konfektionierung (RUB*) RESSOURCEN- /INNOVATIONS- MANAGEMENT Nachhaltigkeitsbewertung/- management Stoffstrommanagement EU, Schutzrechte, Strategie IDEENFABRIK: ZUKÜNFTIGE PRODUKTE Generative Fertigung, FabLab Nachhaltige Produkte aus Polymeren ORGANISATION VERWALTUNG Projekte Controlling Personalbetreuung Reisen, Innerer Dienst PUBLIC RELATIONS Medien-/Pressearbeit Veranstaltungen Interne Kommunikation UMSICHT AKADEMIE Weiterbildung Personalentwicklung ANALYTIK TECHNIK FuE-Werkstatt Bau und Facility Management ARBEITSSICHERHEIT, UMWELTSCHUTZ BIBLIOTHEK INSTITUTSTEIL SULZBACH-ROSENBERG ENERGIETECHNIK Energie aus Biomasse Thermochemische und chemische Speicher Thermische Speicher Energieeffizienz und - systemforschung KREISLAUF- WIRTSCHAFT Biogas, Abwasser, Phosphor Systemforschung Rohstoffe und Abfall NEUE MATERIALIEN Korrosions- und Verschleißschutz Oberflächentechnik Metallische Verfahren INFRASTRUKTUR Verwaltung Public Relations und Marketing Zentrale Technische Dienste * Ruhr-Universität Bochum Stand:

3 Generative Fertigung bei Fraunhofer UMSICHT SLS Neue Materialien (-> Rezyklierbarkeit, neue Eigenschaften) Pulverauftragssysteme Mehrkomponentensintern Eigenbau von Anlagen FDM Elastische Materialien Miniextruder / Hot-End Vermeidung von Curling Energetische Optimierung Biomimetische Konstruktionen Hands on-workshops [Fraunhofer UMSICHT 2012] Folie 3

4 Cellular Loop [Folkwang UdK, UMSICHT, IWM, rpm] Generative Fertigung _Prinzipien und Begriffe State of the Art _Techniken und Produkte Die Fab-Community _Fertigung für jedermann Zuhause gegen Industrie _ein Vergleich Effizient produzieren mit 3D- Druckern? Folie 4

5 FABLAB Dortmund Abb.: Fraunhofer Umsicht Oberhausen; Dezentrale Dortmund 2014, bei der Arbeit; Bilder Simon Linden Folie 5

6 Generative Fertigung - Kooperationsmöglichkeiten Machbarkeitsuntersuchungen zur Bauteilfertigung Potenzialstudie und Hands on-workshops zum Einsatz Generativer Fertigungstechnik in Ihren Unternehmen (Weiter-)Entwicklung maßgeschneiderter Maschinen und Werkstoffe in direkter Kooperation oder öffentlich geförderten Verbundprojekten Beteiligung an Bürgerprojekten in der DEZENTRALE Semesterprojekte zum 3D-Druck mit Industriedesignstudenten der Folkwang UdK Folie 6 [Fraunhofer UMSICHT 2012]

7 Bauteile direkt aus Daten eine freundlich-kritische Reflexion zum Versprechen der Generativen Fertigung Jürgen Bertling, Dr.-Ing. Jan Blömer Fraunhofer UMSICHT, Oberhausen Folie 7

8 Roadmap additive manufacturing Folie 8

12 Innovation und Ressourcen Folie 12

13 Innovation Ranking der Telekom in 2009 / Newsweek 2009 Die Deutschen sind nicht bereit Risiken einzugehen Die meisten Deutschen glauben, dass ihnen der technische Fortschritt Nachteile einbringen wird. [Telekom_2009] Folie 13 German-Techno-Angst [Newsweek_2009]

14 Ökologische und soziale Probleme des technologischen Fortschritts Mangel an gesunden, fair produzierten und umweltverträglichen Nahrungsmitteln Probleme mit Datenschutz, informationeller Selbstbestimmung Verknappung der Ressourcen und Klimawandel Verteilungsgerechtigkeit Diese Problemlagen betreffen Produktion und Konsum gleichermaßen. Sie können durch die Industrie und Poltik allein nicht gelöst werden. Folie 14

15 10.5 ton/cap yr 1 ton/cap yr 80 ton/cap yr 8 ton/cap yr W/cap W/cap Ziele bei der Reduktion von Treibhausgasen, Ressourcenverbrauch und Energiebedarf heute % 100% Reduktion in D zwischen1993 und % 60% 40% 20% 0% carbon dioxide emissions ressource extraction average power consumption [based on data from: WGBU 2009, Jochem 2004, Schmidt-Bleek 1998] Folie 15

16 Ressourceneffizienz Beispiel: Rohstoffeinsatz bei der Herstellung von 1 Tonne PP 1964: kg 1988: kg 2012: kg»die physikalisch-technische Effizienzgrenze ist nahezu erreicht«.»an diesem Punkt würden politische Vorgaben für eine absolute Verringerung des Rohstoffverbrauchs nur mit einer Drosselung der Produktion einzulösen sein.«(dr. Klaus Engel, Evonik Industries AG) [Quelle VCI, ] Folie 16

17 Politische Lösungen sind gescheitert Rio de Janeiro/Berlin, 22. Juni 2012.»Die internationale Staatengemeinschaft ist derzeit nicht in der Lage, die dringend notwendige Transformation zu einer nachhaltigen Gesellschaft in der gebotenen Geschwindigkeit und Verbindlichkeit voranzutreiben Zeit für Pioniere«[J. Schellnhuber, C. Leggewie, D. Messner / DIE ZEIT, ] Folie 17

18 Transformation von Innovation und Produktion public R&D Transformation public R&D Know how inventions internal R&D Companies Innovations Products Comsumer Bürgerdialoge Repair Cafes / Makerspaces urban gardening Know how inventions internal R&D Companies Innovations Products Prosumer Rührküchen Open Innovation Kryptoparties Fab-Labs Hackerspaces Society Society [Bertling 2012] Folie 18

19 Die Fab-Community _3D-Druck für Jedermann? Folie 19

20 Preisgünstige 3D-Drucker FDM >50 verschiedene Modelle # SLA FORM 1 SHS Folie 20 BluePrinter

21 Entwicklungsschwerpunkte im RepRap-Forum Hotend: Führungen: -Threadless Ball Screws - Steilgewindespindel - kleiner/kürzer - Nozzledurchmesser verringern -gleichmäßigere Temperaturverteilung - schnelles Austauschen/Ausspülen bei Filamentwechsel - Induktionsbeheizung - Automatische Messung der Filamentdicke Folie 21 Bauraum: Beheizbar Arbeitsplattform : - Dauerdruckplatten (Alu, sandgestrahlte Glasplatte, GFK-Platte) -> Tapewechseln ist nervig Extruder: - Granulatextruder -> mehr Vielfalt bei der Kunststoffwahl, günstiger, Recycling - Mischextruder - Mehrfarbenextruder - Revolverkopf für Extruderwechsel - Schneller Drucken Kinematik: -Deltakinematik - Simpson/Wally - Im Grunde sind aber alle mit der ursprünglichen Portalvariante glücklich

22 Open-Source-Pistole Folie 22

23 Open-Source-Prothese Folie 23

24 FabLabs:»How to make (almost) anything«quelle: FABLAB; (abgerufen am ) // Abb.: Neil Gershenfeld; am ) Folie 24 INT. FAB CHARTER MISSION Fab Labs sind ein globales Netzwerk von lokalen Werkstätten und machen Werkzeuge für eine digitale Fertigung für Jedermann zugänglich. ZUGANG Du kannst das Fab Lab nutzen, um fast alles zu machen; du musst lernen, Dinge selbst zu machen, und du musst dir den Gebrauch des Fab Labs mit anderen Nutzern und Nutzungsarten teilen. BILDUNG Das Training im Fab Lab basiert darauf, Projekte durchzuführen und von Mentoren zu lernen; wir erwarten, dass du dich an der Dokumentation und dem Anleiten von anderen beteiligst.

25 Folie 25

26 und sonst? Extruder zur Strangerzeugung 3D-Scanner Folie 26 3D-Stift 606,76 /min (WIRED 01/2013)

27 Zuhause gegen Industrie _ein Vergleich Folie 27

28 Zuhause Industrie Folie 28

29 Zuhause Industrie Folie 29 Ultimaker Freeformer Auflösung 0,23 0,30 mm 0,24 bis 0,29 mm Produktionsleistung 9 cm 3 /h (id. Stratasys) (2x) 3 cm 3 /h (bei 100 Hz) Feed Stränge Granulat* Verweilzeit in der Schmelze < 2 min? Freiheitsgrade 3 5 *Granulate werden aus Strängen hergestellt!

30 3D-Druck konkurrierende Wertschöpfungsketten? THINGIVERSE CAD/STL NUTZER NUTZER NUTZER NUTZER 3D-Printer/ Werkstoff MAKERBOT DESIGNER CAD/STL SHAPEWAYS Auswahl CAD-Daten Parametrisches Design NUTZER 3D-DIENSTLEISTER Produkt Folie Ralf Becker 36

31 3 Strategien zur Nachhaltigkeit Effizienz Konsistenz Suffizienz Folie 31

32 3 Strategien zur Nachhaltigkeit Effizienz vernünftig business as usual Konsistenz biologisch inspiriert konsumistisch Suffizienz einfaches Lebens weltfremd Folie 32

33 Ressourcenverbrauch Spritzgießen vs. SLS (MIPS - Material Input Per Serviceunit) Spritzgießen (PP) SLS (PA12) Position Menge Ressourcenaufwanaufwand Menge MIT Ressourcen- Rohmaterial 1 kg kg 5.5 kg/kg 5.5 Materialverluste 5 kg 5.5 kg/kg 27.5 Pulvererzeugung 800 kwh/t 3.15 kg/kwh 15.1 (Stickstoff) 2 kg/kg 0.8kg/kg 9.6 Fertigung 60 kwh/ kg 3.15 kg/kwh Spritzgießen (gesamt) 1kg 2.15 Summe x 60 Folie 33

34 Spezifischer Energiebedarf Enthalpiedifferenz für Kunststoffe von RT bis PT ca. 0,1 kwh/kg) kwh/kg Folie 34

35 GWP [kg CO2 eq.] Replicator 1 Stratasys Prusa Mendel Spritzguss KEA [MJ/kg] Folie 35 0 Replicator 1 Stratasys Prusa Mendel Spritzguss

36 Energiebedarf als Funktion der Produktionsrate G.F. 10 kg/h? [ergänzt nach Allwood, Gutowski (2011)] Folie 36

37 3 Strategien zur Nachhaltigkeit Effizienz vernünftig business as usual Konsistenz biologisch inspiriert konsumistisch Suffizienz entschleunigend einfaches Lebens Folie 37

38 Materialverluste beim SLS Alterung durch Kettendegradation und Polyreaktionen von PA 12 in SLS Schmelztemperatur steigt Kristallinität nimmt ab Viskosität steigt (by a factor of 5) Verbacken des Pulvers Frischrate von 30% bis zu 50% new (30%) Abfall Bauteil = 5 part (5%) recycled (70%) waste (25%) Folie 38 [Shapeways 2013]

39 Materialverluste beim SLS Alterung durch Kettendegradation und Polyreaktionen von PA 12 in SLS Schmelztemperatur steigt Kristalinität nimmt ab Viskosität steigt (by a factor of 5) Verbacken des Pulvers Frischrate von 30% bis zu 50% new (30%) Abfall Bauteil = 5 part (5%) recycled (70%) waste (25%) Folie 39

40 Rezyklierbarkeit yes 10 kg/h no Individualisierung G.F. Folie 40 Miniaturisierung, Multikomponenten [Gutowski (2005)]

41 3 Strategien zur Nachhaltigkeit Effizienz vernünftig business as usual Konsistenz biologisch inspiriert konsumistisch Suffizienz entschleunigend einfaches Lebens Folie 41

42 Suffizienzsstrategien Folie 42

43 The Right to Repair! Folie 43

44 Szenarien zur Reparatur einer Waschmaschine 5 zusätzliche Emissionen im Vergleich zum defektfreien Betrieb [kg CO2/a] Folie 44 Reparatur durch Servicetechniker Neugerät eigenständige Reparatur mit Ersatzteilherstelung mittels FDM eigenständige Reparatur mit Ersatzteillieferung durch Hersteller

45 Suffizienz FabLabs 3D-DTP heben die Trennung zwischen Produzent und Konsument auf. Sie ermöglichen zahlreiche Strategien zur Nutzungsintensivierung, Inputreduktion, Langlebigkeit die durch andere NH-Strategien kaum erschlossen werden können FabLabs schaffen die Kompetenzen, Netzwerke und Infrastrukturen für diese Entwicklung Inwieweit dadurch suffiziente Wirtschafts- und Konsumstile ermöglicht werden und welcher Grad an Dezentralität sinnvoll ist, ist noch offen. Folie 45

46 Transformation von Innovation und Produktion public R&D Know how inventions internal R&D Companies Innovations Products Comsumer Society Transformation Bürgerdialoge Repair Cafes / Makerspaces urban gardening public public R&D Know how inventions internal R&D Companies Innovations Products Prosumer Society Scientific Methods / Sustainability / Entrepreneurship Rphrküchen Open Innovation Kryptoparties Fab-Labs Hackerspaces [Bertling 2012] Folie 46

47 Nachhaltigkeit fordert ein neues Verständnis von Innovation, das auf lokaler Partizipation aufbaut. -> Partizipative Innovation Folie 47

48 Autoren gesucht! Folie 48

49 Vielen Dank! TOP1 TOP2 TOP2.1 TOP2.2 TOP2.1 In welcher Phase befindet sich Ihr Projekt (Idee, Planung, Umsetzung)? Wie ist der Bezug Ihres Projekts zur Wissenschaft? Wie 0208 ist der / 85 Bezug 98 Ihres Projekts zur Nachhaltigkeit? Was ist neu an Ihrem Projekt? Wie lange soll das Projekt dauern? Inwieweit wird die anvisierte Zielgruppe beteiligt? Wo wird das Projekt sichtbar (lokal, regional, bundesweit)? Sind Partnerschaften mit Medien geplant? Wenn ja, welche? Folie 49