Nachhaltiges AM-Material Hochwertige Bauteile aus Recyclingmaterial für die Luftfahrt

Von Stefan Guggenberger

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Mit einem Forschungsprojekt will das Fraunhofer IPA den Anteil von Recyclingmaterial in additiven Produktionsverfahren erhöhen. Dabei werden Bauteile für die Luftfahrt umgesetzt, die trotz Recycling höchsten Qualitätsansprüchen entsprechen müssen.

Die industrielle Fertigung muss mit Ressourcen schonender umgehen. Wie recyceltes Material dabei helfen kann, will das TIRIKA-Projekt für die Luftfahrt erforschen.
Die industrielle Fertigung muss mit Ressourcen schonender umgehen. Wie recyceltes Material dabei helfen kann, will das TIRIKA-Projekt für die Luftfahrt erforschen.
(Bild: Reiner Bez // Fraunhofer IPA)

Im Rahmen des Forschungsprojekts TIRIKA, welches sich mit verschiedenen Aspekten zu nachhaltiger Luftfahrt befasst, wird am Fraunhofer IPA auch untersucht, ob und wie 3D-Druckmaterial recycelt werden kann. Dabei wird sowohl Kunststofffilament als auch -Pulver, das per selektivem Lasersintern verarbeitet wird, betrachtet. Ziel ist es, den Anteil von recyceltem Material in 3D-Druckprozessen für die Luftfahrt zu erhöhen, ohne dabei die Qualität der gedruckten Bauteile zu verschlechtern.

3D-gedruckte Gepäckfachklappe aus Recyclingmaterial

Dabei gibt es bereits ein 3D-gedrucktes Bauteil, das wohl jeder Passagier schon genutzt hat: die Klappe des Gepäckfachs über dem Sitz. Oft besteht diese aus Polyetherimid (PEI), ein schwer entflammbarer Kunststoff, der im Brandfall keinen giftigen Rauch verursacht. Allerdings landen diese Klappen nach der Nutzung häufig auf dem Müll. Zukünftig könnten sie jedoch geschreddert und zu 3D-Druck-Filament verarbeitet werden.

Wieso wird das Material aber bisher nicht recycelt? „Recyceltes PEI hat nicht die gleichen Eigenschaften wie neues“, erklärt Markus Echsel vom Zentrum für Additive Produktion am Fraunhofer IPA. „Kabinenteile, die daraus gefertigt werden sollen, müssen aber vergleichbar feuerfest sein und Rauchentwicklung ebenso gut verhindern wie Bauteile aus neuem PEI.“

Um nun den Recyclinganteil zu erhöhen, müssen im Projekt noch entscheidende Fragen geklärt werden:

  • Wie fließfähig ist recyceltes PEI, wenn es im 3D-Drucker aufgeschmolzen wird?
  • Wie oft kann PEI überhaupt verarbeitet werden, bevor es unbrauchbar wird?
  • Mit welchen Parametern muss das wiederverwendete PEI verarbeitet werden?

Eine wichtige Rolle spielt dabei ein sogenanntes Degradationsmodell, das die Wissenschaftler entwickeln wollen. Es soll zeigen, wie sich die Eigenschaften eines Materials ändern, wenn es altert. Daraus lässt sich dann ungefähr ableiten, wie die Einstellungen am 3D-Drucker verändert werden müssen, damit er aus Recyclingmaterial Bauteile fertigt, die jenen aus neuem PEI in nichts nachstehen. „Wenn das erst einmal bekannt ist, können in Zukunft bereits genutzte Bauteile aus hochwertigen Kunststoffen ein zweites oder drittes Leben bekommen“, sagt Echsel.

Pulver für das selektive Lasersintern soll wiederaufbereitet werden

Auch das selektive Lasersintern mit Kunststoff kommt in der Luftfahrt zum Einsatz. Dabei werden Pulver aus den Kunststoffen Polyamid 12 (PA12) oder Polyetherketonketon (PEKK) flächig aufgebracht, erhitzt und dann punktuell mit einem Laserstrahl geschmolzen – ein Vorgang, der sich Schicht für Schicht wiederholt. Am Ende entnimmt man das additiv gefertigte Bauteil aus einem Behälter, der ansonsten bis oben hin mit Pulver gefüllt ist. Ein Großteil des verwendeten Pulvers landet also gar nicht im gefertigten Bauteil.

Obwohl es üblich ist, das überschüssige Pulver erneut zu verwenden, gibt es auch hier Verbesserungspotenzial: „Allerdings werden beim selektiven Lasersintern bisher nur etwa 60 bis 70 Prozent gebrauchtes Pulver verwendet. Der Rest muss neu sein, wenn man keine Abstriche bei der Qualität machen möchte“, sagt Patrick Springer vom Zentrum für additive Produktion am Fraunhofer IPA. „Immerhin ist ja auch das Pulver, das nicht verdruckt wurde, durch den Verarbeitungsprozess geschädigt worden und dadurch ändern sich dessen physikalische und chemische Eigenschaften.“ Ein beträchtlicher Teil des bereits verwendeten Pulvers wird also entsorgt – ein beständig sprudelnder Mikroplastik-Quell.

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