Plastik-Pellets

Der Nachschub an Kunststoffen für den 3D-Druck ist nicht gefährdet, solange das Ausgangsmaterial Erdöl verfügbar bleibt. - Bild: pixabay

Das erste Halbjahr 2020 war für die internationalen Rohstoffmärkte durch zwei Ereignisse geprägt: den Handelsstreit zwischen den USA und China und später durch die Coronakrise.

Handelskriege und Coronabedingte Lieferengpässe könnten theoretisch auch die Rohstoffverfügbarkeit für die additive Fertigung betreffen. Wie ist es um die Rohstoffversorgung hier bestellt?

Um welche Werkstoffe geht es? In der additiven Fertigung kommen heutzutage fast alle gängigen Werkstoffe auf industriellem Level zum Einsatz: Metalle, Polymere, Verbundwerkstoffe, Beton, Edelmetalle und sogar Lebensmittel wie Schokolade.

Kunststoffe für den 3D-Druck

Aufgrund ihrer niedrigen Kosten, einfachen Herstellung, Vielseitigkeit und Wasserbeständigkeit werden Kunststoffe in einer Vielzahl von Produkten und Sektoren verwendet. Typische Anwendungsfelder für Kunststoff sind vor allem Konzeptmodelle und Prototypen. Jeder Kunststoff erfordert während des Druckprozesses unterschiedliche 3D-Druckparameter und verleiht den Teilen unterschiedliche Eigenschaften.

Die meisten Kunststoffe auf dem Markt sind vollständig synthetisch und werden am häufigsten aus Erdölchemikalien gewonnen - Entsprechend ist ihre Herstellung von der Verfügbarkeit von petrochemischen Produkten abhängig. Erdöl ist eine komplexe Mischung aus Tausenden von Verbindungen und muss verarbeitet werden, bevor es verwendet werden kann. Die Herstellung von Kunststoffen beginnt mit der Destillierung von Rohöl in einer Ölraffinerie. Hier wird das schwere Rohöl in Gruppen leichterer Komponenten getrennt. Jede Fraktion ist eine Mischung von Kohlenwasserstoffketten, die sich in der Größe und Zusammensetzung der Moleküle unterscheiden. Eine dieser Fraktionen, das Naphtha, ist die entscheidende Verbindung für die Produktion von Kunststoffen.

Herstellung von Kunststoffen

Bei der Herstellung von Kunststoffen kommen zwei zentrale Prozesse zum Einsatz – Polymerisierung und Polykondensation – und beide erfordern spezifische Katalysatoren.
Es gibt viele verschiedene Arten von Kunststoffen und sie lassen sich in zwei Hauptpolymergruppen unterteilen:

  • Thermoplasten, die bei Erwärmung weich werden und bei Abkühlen wieder hart, wie
    Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polycarbonat (PC), Polyäthylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET),
    Polyvinylchlorid (PVC),Polymethyl-Methacrylat (PMMA), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polytetrafluoroethylen (PTFE), Expandiertes Polystyrol (EPS)
  • Duroplasten, die nicht mehr weich werden, nachdem sie gegossen wurden, wie Epoxid (EP),
    Phenol-Formaldehyd (PF), Polyurethan (PUR), Ungesättigtes Polyesterharz (UP)

Wieviel Kunststoff wird jährlich produziert?

Die global jährlich produzierte Kunststoffmenge ist in den letzten knapp 70 Jahren sehr stark gestiegen - auf ein Niveau von etwa 360 Millionen Tonnen im Jahr 2018. Damit hat sich das reine Produktionsvolumen von Kunststoffen weltweit im Vergleich zu 1976 circa versiebenfacht.

Die Kunststoffindustrie in Deutschland ist im europäischen Maßstab führend. Ihre Produktionsmenge entspricht mit rund 18,2 Mio Tonnen in 2019 etwa einem Drittel des gesamten europäischen Produktionsvolumens. Die 5 wichtigsten Importländer für Deutschland sind die Niederlande, Belgien, Frankreich, Polen und Italien.

Deutschland produziert demnach einen Großteil des benötigten Kunststoffes selbst oder bezieht ihn aus Europa, sodass Lieferengpässe aufgrund globaler Entwicklungen nicht zu erwarten sind, solange Erdöl als Ausgangsstoff verfügbar bleibt.

Grafik zur Entwicklung von Rohstoffpreisen
Die Auswirkungen von Covid-19 führten zu starken Preiseinbrüchen im ersten Quartal 2020. Das zweite Quartal brachte Preiserholungen bei vielen Rohstoffen. Bild: Deutsche Rohstoffagentur

Metalle für den 3D-Druck

Unter den Metallen werden Aluminium und Stahl am häufigsten beim 3D-Druck verwendet. Außerdem kommen auch Materialien wie Kobalt-Chrom, Gallium und Titan zum Einsatz.

Der weltweite Rohstoffverbrauch hat sich zwischen 1970 und 2017 fast verdreifacht und wird sich bis zum Jahr 2060 nach Angaben der OECD nochmals nahezu verdoppeln. Geologen der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) in Hannover sehen dennoch die Versorgung mit mineralischen Rohstoffen aus rein geologischer Sicht auch zukünftig weitgehend gesichert. Es ist also „genügend“ da.

Bei den primären Metallrohstoffen ist Deutschland fast vollkommen importabhängig. Die Hauptlieferanten sind Australien, China, Brasilien, Chile, Kanada, Kasachstan, Russland, Südafrika und Peru.

Metallstangen
Stahl und Aluminium sind die am häufigsten angewendeten Materialien im Metall-3D-Druck. - Bild: pixybay

Herkunft und Gewinnung der wichtigsten Metalle für den 3D-Druck

Stahl ist eine Eisenerz- Kohlenstoff-Legierung. Die vier bedeutendsten Eisenerzförderländer mit zusammen rund 83 % der Weltförderung sind China, Brasilien, Australien und Indien. Im Amazonasurwald Brasiliens, in der Serra dos Carajás, befindet sich die größte Eisenerzlagerstätte der Welt mit geschätzten 17 Milliarden Tonnen Bänder-Eisenerz, das in einem riesigen Tagebau gewonnen wird.

Chrom wird aufgrund der hohen Korrosions- und Hitzebeständigkeit insbesondere als Legierungselement in der Stahlherstellung und für NE-Legierungen eingesetzt. Weitere Anwendungen finden sich in der Hart- und Dekorverchromung sowie der Katalysatortechnik und der Gerbereiindustrie. Südafrika ist weltweit das wichtigste Förderland, gefolgt von Kasachstan und Indien.

Kupfer zählt in Deutschland zu den bedeutendsten Industriemetallen: Deutschland ist nach China und den USA drittgrößter Verbraucher von Raffinadekupfer. Chile ist das größte Förderland, gefolgt von China und Peru.

Aluminium ist das weltweit bedeutendste Leichtmetall und nach Stahl der zweitwichtigste metallische Werkstoff. Der Ausgangsrohstoff für Aluminium ist Bauxit, ein natürliches Verwitterungsprodukt aluminiumreicher Gesteine, das überwiegend aus Aluminiummineralen besteht. Die größten Produzenten sind Australien (78 Mio. Tonnen), China (65 Mio. Tonnen), Brasilien (35 Mio. Tonnen), Indien (20 Mio. Tonnen) und Guinea (18 Mio. Tonnen). In Kamerun lagern neu entdeckten Vorkommen in einer Größenordnung von 500 bis 700 Mio. Tonnen.

Zur Herstellung von metallischem Aluminium wird das Bauxit bei 150 bis 200 °C in Natronlauge erhitzt, wobei Aluminium als Aluminat gelöst wird und vom eisenreichen Rückstand (=Rotschlamm) abfiltriert wird. Dieser Vorgang ist sehr energieaufwendig und nur dort wirtschaftlich, wo billiger Strom in großen Mengen zur Verfügung steht. Mehr als 50 % dieser Produktion findet in China statt.

Recycling und nachwachsende Rohstoffe als Alternative zum Import?

Theoretisch lassen sich sämtliche für 3D-Drucker genutzte Materialien recyceln. Generell können beim pulverbettbasierten Verfahren die gebrauchten Pulver wieder mit neuem Pulver vermischt und erneut der additiven Fertigung zugeführt werden. Dies geschieht ohne nennenswerte Qualitätseinbußen. Lediglich Überkorn, also zu große Partikel, muss ausgesiebt werden.

Teilweise werden Lage, Fräs- und Drehspäne sowie andere recycelte Rohstoffe in Metallpulver für die additive Fertigung umgewandelt. Oder es werden Abfälle aus Schmiedebetrieben durch einen Verdüsungsprozess zu feinkörnigem Metallpulver verarbeitet.

Auch Kunststoffe lassen sich recyceln. Dabei werden beispielsweise Plastikflaschen oder Verpackungsmüll zu kleinen Pellets gepresst und anschließend zu Filament geschmolzen. Ein Nachteil von recyceltem Kunststoff für den 3D-Druck ist allerdings oft die geringere Qualität im Vergleich zu neuem Material. Oft wird dem Filament deshalb „frisches“ Plastik zugemischt.

Es wird darüber hinaus an der Entwicklung von plastikfreien, qualitativ hochwertigen, biologisch abbaubaren Ersatzmaterialien gearbeitet, wie PLA (Polymilchsäure), ein Biokunststoff, der unter anderem aus Zuckerrüben, Mais- oder Kartoffelstärke gewonnen wird. Ein echtes Leuchtturmprojekt: Das kanadische Startup Genecis stellt aus Lebensmittelresten von Großküchen Biokunststoffe her.

Manche Unternehmen bieten ihren Kunden einen geschlossenen Rückgabekreislauf für Materialien aus Kunststoff an. Die Teilnahme am Recyclingprogramm erspart dem Kunden nicht nur die Entsorgungskosten, sondern ermöglicht es ihnen auch, den Recyclingprozess im Sinne einer Verbesserung ihres Umweltmanagements im Rahmen der ISO 14001 oder EMAS zu nutzen.

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