Strategische Materialauswahl für nachhaltige Fertigung

Izzy de la Guardia, Senior Design and Development Engineer, und Kathleen Bollito, Customer Application Engineer

Der Weg zu nachhaltigen Bauteilen endet nicht bei nachhaltigem Design oder Lieferkettenpraktiken. Da einige Materialien umweltfreundlicher sind als andere, kann eine durchdachte Materialwahl die Nachhaltigkeit der Fertigung maßgeblich verbessern. Neben der Reduzierung der Umweltauswirkungen stärkt der Einsatz nachhaltiger Materialien den Ruf als grünes Unternehmen – und Verbraucher unterstützen zunehmend umweltverantwortliche Betriebe.

Während viele Metalle ohne Qualitätsverlust wiederholt recycelt werden können, gilt dies für Kunststoffe nicht. 91 % des Kunststoffs werden nicht recycelt und landen auf Deponien. Hier besteht großes Verbesserungspotenzial. In diesem ersten Teil unserer Serie zur nachhaltigen Fertigung konzentrieren wir uns auf Materialaspekte bei der Kunststoffverarbeitung. Es gibt Möglichkeiten, Materialien mit geringeren Umweltkosten bei Beschaffung, Nutzung und Entsorgung zu wählen.

Nachhaltige Materialbeschaffung

Wenn Sie ein Bauteil nachhaltiger gestalten wollen, ist die Materialherkunft ein guter Startpunkt. Zunächst müssen Sie sich zwischen nachwachsenden und nicht nachwachsenden Rohstoffen entscheiden.

Nachwachsende vs. nicht nachwachsende Rohstoffe

Nachwachsende Rohstoffe sind natürliche Ressourcen, die sich regenerieren können. Manchmal geschieht dies natürlich, manchmal bedarf es menschlicher Intervention. Bäume sind ein Beispiel: Werden sie schneller gefällt als nachwachsend, müssen neue Setzlinge gepflanzt werden.

Nicht nachwachsende Ressourcen sind endlich. Bei aktueller Förderrate dürften die weltweiten Ölreserven in 40 bis 50 Jahren erschöpft sein.

Um die Erschöpfung natürlicher Ressourcen zu verringern, sollten nachwachsende Rohstoffe bevorzugt werden. Bei Kunststoffen bedeutet das: Biokunststoffe statt Petrochemie-Kunststoffe. Petrochemie-Kunststoffe basieren auf endlichem Erdöl, Biokunststoffe stammen ganz oder teilweise aus nachwachsender Biomasse oder natürlichen Nebenprodukten und sind umweltfreundlicher. Typische Rohstoffe: Stroh, Sägemehl, Maisstärke, Holzspäne, Pflanzenöle und -fette.

Nicht alle biobasierten Kunststoffe sind biologisch abbaubar. „Drop-in-Bioplastics“ wie Bio-PET sind chemisch identisch mit ihren fossilen Pendants, nur aus Biomasse gewonnen – sie sind nicht biologisch abbaubar, aber recycelbar. Ob erneuerbar oder nicht: Durch höheren Rezyklatanteil lässt sich der Bedarf an Neuware weiter senken und die Produktion nachhaltiger gestalten.

Rezyklierte Materialien

Fertigung mit Rezyklat verlängert die Lebensdauer des Originalmaterials und reduziert den Bedarf an Neuware. Das senkt Materialkosten und verbessert die Gesamtbilanz: Eine Tonne Produkte aus Rezyklat statt Neuware spart 1,6 Tonnen CO₂-Emissionen und fünf Barrel Öl.

Während Metalle beim Recycling nicht degradieren, sind viele Kunststoffe schwer recycelbar oder nur wenige Male, bevor sich ihre Eigenschaften stark verschlechtern. Oft werden Mischungen aus Rezyklat und Neuware verwendet. Die gängigsten Kunststoffe mit Rezyklatanteil in der Fertigung sind Polyethylenterephthalat (PET) und Hochdichtepolyethylen (HDPE).

Produktende verstehen

Neben der Materialherkunft muss bedacht werden, was am Ende der Produktlebensdauer geschieht. Materialien können biologisch abbaubar, kompostierbar, recycelbar oder eine Kombination sein – je nach chemischer Zusammensetzung. Die Unterschiede zu kennen, ist bei der Materialbewertung essenziell.

Biologisch abbaubare vs. kompostierbare Kunststoffe

Obwohl oft synonym verwendet, sind Kompostierbarkeit und biologische Abbaubarkeit nicht identisch. Jeder kompostierbare Kunststoff ist biologisch abbaubar, aber nicht umgekehrt. Kompostierbare Kunststoffe (z. B. thermoplastische Stärke-basierte Kunststoffe (TPS), Polybutylensuccinat (PBS), Polycaprolacton (PCL)) zersetzen sich in organische Elemente und Nährstoffe, die den Boden anreichern. Biologisch abbaubare Kunststoffe zerfallen natürlich ohne Umweltschaden, aber nicht zwingend in organische Elemente.

Biologisch abbaubare Kunststoffe teilen sich in oxo-biologisch abbaubar (Abbau durch Oxidation) und hydro-biologisch abbaubar (Abbau durch Hydrolyse). Hydro-biologisch abbaubare Kunststoffe zersetzen sich schneller, müssen aber meist industriell kompostiert werden. Oxo-biologisch abbaubare sind günstiger, leichter zu verarbeiten und haben bessere mechanische Eigenschaften.

Nicht alle kompostierbaren Produkte sind gleich. Heimkompostierbare Produkte zersetzen sich unter typischen Haushalts- oder Gartenkompostbedingungen. Industriell kompostierbare Kunststoffe benötigen anhaltend hohe Temperaturen, kohlenstoff- und stickstoffreiche Materialien oder mehr Luftzufuhr.

Beispiel: Polymilchsäure (PLA) erfordert industrielle Kompostierung (Abbau erst über 56 °C / 136 °F), während Polyhydroxyalkanoate (PHA) auch zu Hause abbaubar sind. PHA ist teurer und energieintensiver in der Herstellung, aber die Wahrscheinlichkeit tatsächlicher Kompostierung ist höher, da es nicht auf korrekte Entsorgung durch den Endverbraucher angewiesen ist. Wählen Sie industriell kompostierbare Kunststoffe, ist eine klare Kennzeichnung oder Rücknahmeprogramme wichtig.

Recycelbare Materialien

Wenn keine biologisch abbaubare Option verfügbar ist, sind recycelbare Kunststoffe die nächstbeste Wahl. Grundsätzlich sind Thermoplaste leichter recycelbar als Duroplaste, da sie wiederholt geschmolzen und umgeformt werden können.

Die gängigsten recycelbaren Kunststoffe haben eine Recyclingnummer, die Art und Recyclingfähigkeit angibt. Niedrigere Nummern sind leichter recycelbar. Übersicht:

1. PET / PETE (1) – Polyethylenterephthalat: leicht, gut recycelbar, Verpackungen, Wasserflaschen, Kleidung, Faserfüllung, Seile.
2. HDPE (2) – Hochdichtepolyethylen: chemisch beständig, gut recycelbar.
3. PVC / V (3) – Polyvinylchlorid: harter Thermoplast, mäßig recycelbar.
4. LDPE (4) – Niedrigdichtepolyethylen: mäßig recycelbar.
5. PP (5) – Polypropylen: zäh, chemisch beständig, recycelbar.
6. PS (6) – Polystyrol: mäßig recycelbar.
7. Sonstige (7) – nicht recycelbar.

Durch Kennzeichnung mit der Recyclingnummer helfen Sie Endverbrauchern bei der richtigen Entsorgung. Die Nummer muss auf dem Produkt selbst angebracht werden (z. B. CNC-Gravur, Laserbeschriftung) oder über Hangtag/Anleitung kommuniziert werden. Die meisten kommunalen Sammelsysteme nehmen niedrige Nummern an; höhere Nummern erfordern oft spezielle Programme.

Zusätzlich zur Kennzeichnung können Rücknahmeprogramme die Materiallebensdauer verlängern: Post-Rücksendung, Tauschprogramme, kostenlose Sammelstellen.

Nachhaltigkeit in der additiven Fertigung

Für nachhaltigere 3D-Druck-Materialien gibt es Optionen: Beim Fused Deposition Modeling (FDM) können Filamente aus Rezyklat oder biobasiertem Kunststoff (z. B. austern- und weizenbasierte Francofil-Filamente) oder pelletbasierte Extruder eingesetzt werden, die direkt zerkleinerte Kunststoffchips schmelzen.

Produktionssysteme wie HP Multi Jet Fusion minimieren ihren Fußabdruck, indem überschüssiges Pulver bei Mischung mit Neuware wiederverwendet wird. Nicht zurückgewonnenes Pulver und Ausschuss werden zu Spritzguss-Rohmaterial verarbeitet – wie bei diesen Ford-Serienteilen.

Bei der Nachhaltigkeit in der additiven Fertigung liegt noch ein weiter Weg vor uns, aber viele Unternehmen innovieren. Neue Materialien entstehen ständig: Algen- und Seegras-basierte Filamente, Soja-basiertes FilaSoy. Forust nutzt Sägemehlabfälle und biobasiertes Lignin zum 3D-Druck von Holz. Es lohnt sich, kommerziell verfügbare Optionen für die eigene Anwendung zu prüfen und Materiallieferanten nach Fortschritten zu fragen.

Nachhaltigkeit im Spritzguss und Polyurethan-Guss

Beliebte Abfall-reduzierende Optionen: Material mit Rezyklatanteil oder Regranulat (Anguss und Ausschuss zurück in den Prozess). Auch biobasierte Alternativen lohnen sich: Bio-PET, PE aus Zuckerrohr, Bio-PC aus Mais. Nachhaltige Füllstoffe wie Hanf, Kokosnussschalen, Reisspelzen, Algen sind möglich, aber deren Einfluss auf die Recycelbarkeit des Bauteils muss geprüft werden.

Herausforderungen bei grünen Materialien

Grüne Materialien sind umweltfreundlicher, aber ihre Nutzung kann herausfordernd sein. Rezyklate haben oft schwächere Molekularstrukturen als Neuware – bruchanfälliger, weniger chemisch, stoß- und temperaturempfindlich. Produkte aus Rezyklat müssen früher ersetzt werden. Biobasierte Alternativen sind oft teurer als petrochemische Pendants. Weniger nachhaltige Optionen sind kommerziell verfügbar – Innovation und Druck auf Lieferanten sind nötig.

Nachhaltige Materialwahl mit Fast Radius

Bei der Materialwahl für das nächste Projekt gibt es viel zu bedenken, besonders bei Nachhaltigkeit. Heute stehen viele nachhaltige Materialien zur Verfügung, aber die Entscheidung zwischen biologisch abbaubar, kompostierbar, recycelbar oder ganz anders ist komplex. Ein erfahrener Fertigungspartner hilft.

Bei Fast Radius begleitet Sie unser Expertenteam durch die Materialauswahl und unterstützt die beste Entscheidung für Ihr Projekt. Kontaktieren Sie uns noch heute und achten Sie auf weitere Best Practices zur Nachhaltigkeit von unserem Team.