Additive manufacturing kan milieuimpact halveren

TNO brengt bij Kaak de milieu-impact van het 3D metaalprinten van een glijlager in kaart

3D printen van metalen componenten verbetert de duurzaamheidsimpact van een onderdeel. Een belangrijke randvoorwaarde is wel dat het ontwerp aangepast wordt zodat minder materiaal nodig is. Dat blijkt uit een analyse die TNO bij Kaak Group heeft gedaan. Functie integratie zou de milieuvoordelen van additive manufacturing nog wel eens verder omhoog kunnen jagen.

Duurzaamheid is een van de troefkaarten die de fabrikanten van 3D printers uitspelen. Om uiteenlopende redenen zou de technologie de ecologische footprint van producten verkleinen. Bijvoorbeeld doordat er minder materiaal wordt verbruikt, producten lichter worden en er minder transport nodig is. Materialise liet vorig jaar echter zien dat enige terughoudendheid op z’n plaats is, toen het inging op de LCA van kunststof onderdelen die met een SLS 3D printer worden geproduceerd. Met name de lage refreshrate voor poeder speelt parten, naast het energieverbruik.

Productie vandaag versus morgen

TNO heeft voor het rapport De Impact van Slim en Circulair de impact van 3D metaalprinten proberen in te schatten. Dat is gedaan bij Kaak, het moederbedrijf van K3D. Het onderzoek heeft niet de diepgang van een volledige LCA, zo plaatst Ton Bastein, resource efficiency manager bij TNO en een van de auteurs, meteen als kanttekening. Hij heeft de voorbije jaren veel gesprekken gevoerd in de maakindustrie om te onderzoeken hoe bedrijven met vraagstukken uit de circulaire economie bezig zijn. Na een gesprek bij Kaak ontstond het idee om een aantal cases te beschrijven. “Om te laten zien hoe de productie was en hoe het morgen gaat, dus om verschillen aan te tonen.” Ton Bastein heeft samen met collega Diana Bizarro de duurzaamheidsimpact van een van de inmiddels 600 componenten die Kaak 3D print in kaart gebracht. In dit geval een glijlager. Dat hebben ze gedaan door naar 13 aspecten te kijken die de milieu-impact goed weerspiegelen. Deze lopen uiteen van de impact op het klimaat (CO2 emissie), de humane en ecologische toxiciteit, het ontstaan van afval en waardebehoud en de betekenis van 3D printen voor energie, grondstoffen, water en land. Voor de CO2 belasting pakt 3D metaalprinten heel positief uit, de impact is meer dan 50%. De impact op de economie is neutraal en die op grondstoffenverbruik positief, wat een impact van 10 tot 15% betekent in de systematiek van TNO. Per saldo komen de onderzoekers tot een gemiddeld 47% betere milieuprestatie vergeleken met de traditionele productietechniek voor het glijlager.

Bron: TNO

Design optimalisatie

Hoewel de balans dus duidelijk doorslaat naar de positieve kant, denkt Ton Bastein dat de impact nog groter kan zijn naarmate je het design optimaliseert. “Als je met een ander ontwerp minder materiaal nodig hebt, is de impact nog groter.” Als Kaak het glijlager 3D print, kost dat 80% minder materiaal dan op de oude manier. Dat compenseert zelfs meer dan voldoende de energie die nodig is om zowel het poeder te produceren als het poeder te smelten tot een nieuw product. Met name het uitschakelen van enkele productiestappen en de energiebesparing die daarbij hoort, draagt bij aan de betere milieuprestatie. Ton Bastein zegt vooraf verwacht te hebben dat de duurzaamheidsprestatie voor 3D metaalprinten op bijna alle punten positief zou uitpakken. Toch is hij verrast door de impact van het materiaalgebruik. “De impact van het materiaal is echt groot. Materiaalreductie is een belangrijk asset van de technologie.” Hergebruik van metalen om poeders te maken kan tot een substantieel verdere reductie van de duurzaamheidsimpact van 3D printen leiden.

Impact van functie-integratie

Wat TNO niet heeft meegenomen en wat wellicht nog veel meer kan betekenen voor de milieu-impact, is de reductie van het aantal assemblagestappen door functieintegratie. Hoe complexer het product, hoe groter de CO2 footprint luidt de regel die ontstaat in de assemblage. Ton Bastein geeft het voorbeeld van een laptop. De milieu-impact van de materialen is laag ten opzichte van de impact van het gehele productieproces. “90% van de totale CO2 emissie van de productie van een laptop komt door de complexiteit om de laptop te maken.”

Dit glijlager van Kaak heeft een 47% betere milieuprestatie doordat het onderdeel 3D geprint wordt. Dit komt met name door het geringere materiaalverbruik vergeleken met het traditionele productieproces.

Invloed transport

Een tweede aspect waarop de milieuwinst in de toekomst groter kan zijn dan nu berekend, is transport. Bij de analyse van TNO wordt dit als neutraal beoordeeld. Ton Bastein is overtuigd dat een productieproces als 3D printen gaat winnen zodra de CO2- emissie van transport beprijsd wordt. “Als je dat doorvoert, gaat het pijn doen, dan ga je het verschil merken en krijg je verschuivingen.” Hij realiseert zich dat dit een moeilijke stap is om in te voeren, maar er zal in zijn ogen iets moeten gebeuren met de fiscale beprijzing van de milieuschade door transport. “En dat zal deze technologieën in de kaart spelen.” Dat is dan een extra stimulans en zal de businesscase makkelijker maken, waardoor de transitie naar digitaal produceren met 3D printen verder kan versnellen.

Circulair bezig

Terug naar het rapport waarin TNO naast de case bij Kaak nog een aantal andere voorbeelden van circulaire economie beschrijft. “Het rapport toont aan dat ondernemers in de maakindustrie al circulair bezig zijn, ook al noemt bijna niemand het zo. Kleine bedrijven pakken de nieuwe technologie goed en breed op. Dat zorgt voor efficiëntere processen en efficiënter materiaalgebruik”, zegt Ton Bastein. Tegelijkertijd waarschuwt hij dat berekeningen tot achter de komma complex zijn. De serverparken waarin 3D modellen worden opgeslagen en de simulaties van AM-processen vergen immers ook energie, net als alle dataverkeer.