Schiffsschrott wird Schichtstoff

Schiffsschrauben zählen zu den größten Einzelteilen, die die Industrie produziert – und sie hinterlassen bei ihrer Herstellung jede Menge Metallspäne. Bis zu zwei Tonnen Schleifabfall fallen pro Schraube an. Was früher als reiner Abfall galt, rückt heute in den Fokus der Kreislaufwirtschaft: Forschende entwickeln Verfahren, um diese Späne als Ressource für die Additive Fertigung zu nutzen. Das Ziel: Rohstoffe effizienter verwenden, Energie sparen und den Schiffbau nachhaltiger machen.

Von Propeller zu Pulver

Traditionell werden Metallspäne eingeschmolzen, um sie wiederzuverwenden. Doch das Aufschmelzen ist energieintensiv und verursacht hohe CO2-Emissionen. Werden die entstehenden Kosten für mehrstufige Aufbereitungsprozesse gescheut, wird aus dem eigentlich wertvollen Material bloßer Schrott. Gerade im Sinne einer zukünftigen Kreislaufwirtschaft ist das inakzeptabel. Es braucht also neue Ansätze, um diesen Abfallstrom effektiv zu vermeiden. Hier kommt für Forschende am Fraunhofer IPK die metallische Additive Fertigung ins Spiel.

Pulver für additive Fertigungsverfahren wird heute vor allem durch Gasatomisierung hergestellt. Auch das ist energieintensiv, denn Ausgangswerkstoffe müssen zunächst aufgeschmolzen werden, um sie dann mithilfe eines Gasstroms zu zerstäuben. Eine mögliche Alternative bieten mechanische Verfahren, die ohne vorheriges Aufschmelzen arbeiten – und dadurch Energie und Emissionen einsparen. Die Idee: Die Späne, zum Beispiel aus Schleifprozessen, werden mechanisch so aufbereitet, dass daraus feines Metallpulver entsteht – der perfekte Ausgangsstoff für die Additive Fertigung. Damit lassen sich nicht nur Ressourcen schonen, sondern auch Materialkreisläufe direkt in der Produktion schließen.

Die Aufbereitung der Späne ist allerdings anspruchsvoll. Sie unterscheiden sich in Form und Größe, sind oft mit Ölen, Fetten, Fremdmetallen oder sogar anderen Werkstoffen wie Keramiken verunreinigt. Deshalb setzen die Forschenden auf eine mehrstufige Prozesskette: Zunächst werden die Späne zerkleinert und gesiebt, dann mit modernen Verfahren gereinigt und schließlich zu einem homogenen Pulver verarbeitet. Dieses Pulver kann direkt für die Additive Fertigung eingesetzt werden – etwa für die Herstellung von Ersatzteilen oder neuen Komponenten, aber auch für die Reparatur vorhandener Bauteile.

Von Abfall zu Additiver Fertigung

Der Vorteil dieser Methode liegt auf der Hand: Im Vergleich zum klassischen Einschmelzen spart die mechanische Aufbereitung einen Großteil der Energie ein.  Untersuchungen zeigen, dass sich der Energieverbrauch um bis zu 60 Prozent reduzieren lässt. Gleichzeitig sinken die CO2-Emissionen deutlich. Da das Pulver direkt vor Ort hergestellt werden kann, entfallen zudem lange Transportwege und zusätzliche Aufbereitungsschritte. Pilotprojekte am Fraunhofer IPK zeigen, wie die Aufbereitung in der Praxis funktioniert. In Versuchsanlagen werden Späne direkt zu Pulver verarbeitet, das anschließend für die Additive Fertigung mittels Directed Energy Deposition (DED) genutzt wird. 

Die Erweiterung auf andere Prozesse wie Powder Bed Fusion (PBF) ist ebenfalls denkbar, gerade weil die vielfältigen Prozesse unterschiedliche Anforderungen an das verwendete Pulver stellen. So wird beim Elektronen- (PBF-EB) und Laserstrahlschmelzen (PBF-LB) feineres Pulver mit engerer Größenverteilung benötigt, während im DED-Prozess auch Pulver mit größeren Partikeln 
eingesetzt werden kann. Neue Möglichkeiten, die jedoch auch Fragen für hybride Fertigungsabläufe aufwerfen: Wie könnten zukünftige, kreislauffähige Prozessketten aussehen, in denen additive Fertigungsprozesse wie DED oder PBF mit subtraktiven, konventionellen Verfahren wie Schleifen oder Fräsen kombiniert werden? Ergeben sich neue Geschäftsmodelle bzw. Kombinationen von Verfahren zur Pulverherstellung mit Prozessen der Additiven Fertigung, die die entstehenden Späne optimal nutzen? Beispielsweise könnten große Fertigungsbetriebe ihre Späne selbst recyceln. Kleinere Unternehmen zögen größeren Wert aus Abfallströmen, das Geschäft mit dem Recycling könnte wachsen, Pulverhersteller könnten ihr Rohmaterial aus Abfall beziehen und damit Kosten und Gesamtemissionen senken.

Optimiertes Pulver

Die Qualität des durch die Aufbereitung entstehenden Pulvers ist dabei durchaus vergleichbar mit konventionellen Werkstoffen. Entscheidend ist jedoch, mit welchen Verfahren das Pulver hergestellt wird, denn sie haben maßgeblichen Einfluss auf die späteren Pulvereigenschaften: Partikelgrößenverteilung, Morphologie (Rundheit und Oberflächenbeschaffenheit), Fließeigenschaften und chemische Zusammensetzung bzw. Reinheit oder Kontamination unterscheiden sich je nachdem, welche Technologie eingesetzt wird.

Bei der herkömmlichen Gasatomisierung wird geschmolzenes Rohmaterial mithilfe eines Inertgases zerstäubt, sodass hochwertiges Pulver mit sphärischen Partikeln, guten Fließeigenschaften und enger Größenverteilung entsteht, optimal für den Einsatz in PBF, DED und anderen Prozessen. Das Team am Fraunhofer IPK erforscht drei weniger verbreitete Verfahren: Beim Kugel- und Prallstrommahlen werden die gesammelten Späne ohne Aufschmelzen mechanisch verarbeitet, während die Ultraschall-Atomisierung zwar mit geschmolzenem Material arbeitet, aber hochqualitatives Pulver produziert, dass sogar das Endprodukt der Gasatomisierung übertrifft.

Großes Potenzial sehen die Wissenschaftler auch darin, die Eigenschaften des Recycling-Pulvers durch verschiedene Nachbearbeitungsschritte weiter zu verbessern, um zum Beispiel die Kontamination durch verwendete Werkzeuge oder Kühlschmierstoffe zu verringern.

Volle Fahrt voraus

Die verschiedenen Verfahren zeigen, wie Kreislaufwirtschaft in der Industrie konkret umgesetzt werden kann: In Zukunft werden Metallspäne nicht mehr als Abfall betrachtet, sondern als wertvolle Ressource. Das kann in der Schiffsbranche bei der Reparatur verschlissener Komponenten, aber auch weit darüber hinaus Anwendung finden.

Ein Kreislauf ohne Verluste, in dem Abfälle aus der subtraktiven Fertigung innerhalb des gleichen Betriebs in der Additiven Fertigung weiterverwendet werden (und die beiden sich damit ideal ergänzen), ist noch Zukunftsmusik. Doch die Forschenden betrachten in ihrer Arbeit auch weitere Abfallströme, um die Additive Fertigung fit für die Kreislaufwirtschaft zu machen. In einem Folgeprojekt wird beispielsweise daran gearbeitet, Overspray, also beim DED-Prozess nicht aufgeschmolzenes Pulver aufzubereiten. 

Die Wiederaufbereitung von Abfall zu Pulver als Ausgangsstoff für die Additive Fertigung schließt also Materialkreisläufe und macht die Produktion nachhaltiger und wirtschaftlicher. So wird aus Schrott ein Werkstoff mit viel Potenzial – und insbesondere der Schiffbau bereit für eine kreislauffähige Zukunft.