AKROPOLYS - IAMHH e.V. Verbundprojekt

Angesichts des fortschreitenden Klimawandels beteiligt sich auch Deutschland an der Umsetzung der globalen Nachhaltigkeitsziele der Agenda 2030 der Vereinten Nationen für eine nachhaltige Entwicklung. Es entstehen in Deutschland und in der EU fortlaufend neue Gesetze zur Einhaltung und Regulierung von in der EU produzierten und vertriebenen Produkten. Insbesondere ergibt sich der Bedarf für eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft in der industriellen Produktion von Kunststoff-Komponenten.

Eine Kernanforderung ist dabei der Erhalt der Material- und Produktqualität auch über mehrere Recycling-Stufen hinweg, bzw. ein klares Verwertungskonzept für die Wiederverwendung von Materialien in der Fertigung sowie von Produkten, die am Ende des Lebenszyklus wiederaufbereitet werden müssen. Bis dato fehlt es jedoch an belastbaren Erkenntnissen zur Recyclingfähigkeit von additiv gefertigten (AM) Komponenten vor allem unter Berücksichtigung der gesamten Prozesskette von der Materialherstellung bis zum Ende des Produktlebenszyklus.

Aufbau einer Kreislaufwirtschaft für die Additive Produktion mit Polymeren (Kunststoffen)

Im Projekt AKROPOLYS wird eine produkt- und technologieübergreifende Kreislaufwirtschaft für AM Prozesse mit dem Material Polyamid 12 (PA12) unter Berücksichtigung der Produktlebenszyklen mit Partnern aus der in der Metropolregion Hamburg und unterschiedlichen Branchen aufgebaut. Dabei wird eine Wiederverwertung der Materialien und Produkte zu möglichst 100 % angestrebt, indem das Altpulver aus dem SLS-Prozess aufbereitet wird und in den Verarbeitungsprozessen Spritzguss und der Materialextrusion (FFF, FGF) weiterverarbeitet werden. Betrachtete Anwendungen sind hoch funktionale Leichtbauprodukte, Fertigungshilfsmittel und Consumer-Anwendungen sowie innovative Designs im Kunstbereich.

Den konkreten Ausgangspunkt dieses Pilotprojektes von IAMHH e.V. liefern absehbare Nachhaltigkeitsvorgaben der EU. Demnach werden sämtliche Kunststoffbauteile in einem Fahrzeug künftig zu einem bestimmten Anteil aus recyceltem Kunststoff herzustellen sein. Im Rahmen von AKROPOLYS bauen sechs Hamburger Partner - drei kleine und mittelständische Unternehmen und zwei Forschungseinrichtungen - eine Kreislaufwirtschaft für die Additive Produktion mit Polymeren (Kunststoffen) auf. Als Konsortialführer - und sechster Partner - leitet die Hamburger Lehmann&Voss&Co. KG das Projekt. 

»AKROPOLYS bündelt die in Hamburg vorhandenen Kompetenzen in idealer Weise, um der Industrie nachhaltige Werkstoffe für anspruchsvolle Anwendungen zur Verfügung zu stellen.«

Dr. Stefan Schulze, Director 3D Printing Materials bei Lehmann&Voss&Co. KG

Die wiederverwendeten Materialien und die Endprodukte müssen nicht nur EU-Vorgaben, sondern auch Ansprüche der Industrie erfüllen. Dazu zählen farbliche und haptische, sowie auch mechanische Eigenschaften. Hier kommen die vier assoziierten Partner des Pilotprojektes, darunter zwei große industrielle Endanwender aus dem Mobilitätsbereich, ins Spiel. Sie geben Produkte und Produktmerkmale vor, in denen die recycelten Materialien verarbeitet werden sollen.

Das Verbundvorhaben AKROPOLYS mit einer Gesamtprojektsumme von rund 2,5 Mio. Euro hat eine Förderzusage von rund 1,75 Mio. Euro von der Hamburgischen Investitions- und Förderbank (IFB) der BWI erhalten.

Unsere Rolle im Rahmen des Projektes

• Erprobung des Extrusionsverhaltens und der Materialeigenschaften von Filamenten im FFF-Verfahren, die aus SLS-Altpulvern aufbereitet wurden
• Entwicklung eines in den Prozess direkt integrierbaren Systems auf Basis von Laserdioden zur richtungsunabhängigen Glättung innerer und äußerer Oberflächen
• Untersuchungen zur Fließfähigkeit, mechanischen und Oberflächeneigenschaften von FFF Bauteilen aus recycelten Materialien
• Entwicklung eines digitalen Nachhaltigkeitspasses, der eine digitale Identifizierung der Materialien, eine Dokumentation der Prozesshistorie und des CO₂ Verbrauchs sowie die Einhaltung gesetzlicher Bestimmungen nachweislich ermöglicht
• Mitwirkung an Designkonzepten mit Fokus auf eine einfache Wiederverwertung „Design for Circularity“

Material- und Prozessentwicklung

Im Laufe des Projekts konnte PA12-Pulver aus dem SLS-Druck erfolgreich in verarbeitbare Granulate und Filamente überführt werden. Dieses recycelte PA12 wurde am IAPT hinsichtlich der LuMEx-Technologie untersucht. Anhand von Spektroskopie-Versuchsreihen wurden geeignete Wellenlängen identifiziert, die eine Laserbearbeitung von weißem Material zulassen. Die auf Basis dieser Versuche ausgewählten Laser wurden für Glättungsversuche mit weißen recycelten PA12-Filament eingesetzt. Oberflächenrauheitsmessungen zeigen eine deutliche Reduktion der Rauheit von as-built-Oberflächen (Ra = ~17 µm) auf Ra < 3 µm von LuMEx-geglätteten Oberflächen. Dieser Wert entspricht der Qualität konventioneller Surface-Finishing-Verfahren.

Digitaler Produktpass

Der digitale Produktpass schafft Transparenz entlang der additiven Kreislaufproduktion von Polymeren, von den eingesetzten Materialien bis hin zum CO₂-Fußabdruck. Durch die strukturierte Erfassung und Bereitstellung von Produkt- und Prozessdaten in standardisierten Verwaltungsschalen (Asset Administration Shells, AAS) wird eine nachvollziehbare und EU-konforme Dokumentation ermöglicht. Eine webbasierte Plattform erlaubt einen einfachen Zugriff auf diese Informationen, um essenzielle Informationen des Produkts zu bekommen und diese Informationen zwischen Zulieferer und Nutzer zu teilen. So leistet der DPP einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen und digital vernetzten Produktion. Im aktuellen Stand wurde die technische Basis erfolgreich umgesetzt: Die AAS-Struktur ist lauffähig implementiert, die Datenkommunikation etabliert und das webbasierte Frontend für den nutzerfreundlichen Zugriff ist in Entwicklung.