Werkzeug zur Bewertung der Umweltwirkungen der Additiven Fertigung

Basierend auf den Eingabeparametern berechnet dieses Tool vier Werte:

1. Energieverbrauch des Druckprozesses: Dies ist der geschätzte Energieverbrauch des Druckauftrags. Die Formeln dazu finden Sie im Abschnitt „Technologiespezifische Modelle“.
2. Emissionen des Druckprozesses: Dies sind die Treibhausgasemissionen (THG), die aus dem Energieverbrauch des Druckprozesses resultieren. Sie werden aus dem Energieverbrauch des Druckprozesses unter Verwendung der Daten zur durchschnittlichen THG-Intensität des EU-Strommixes berechnet (siehe Details im Abschnitt „Formel für die Gesamtemissionen“ unten). Die THG-Emissionen werden in gCO₂eq angegeben.
3. Emissionen des ausgewählten Materials: Dies sind die Treibhausgasemissionen (THG), die aus der Herstellung des Druckmaterials entstehen (von den Rohstoffen bis zum für den Druck verwendeten Kunststoffmaterial). Zur Schätzung wurden verfügbare Daten aus Ökobilanzdatenbanken (LCA – Life Cycle Assessment) und einzelnen LCA-Studien verwendet (siehe Quellen unten). Die THG-Emissionen werden in gCO₂eq angegeben.
4. Gesamtemissionen (Druckprozess + Material): Die Gesamtemissionen ergeben sich aus der Summe der Emissionen des Druckprozesses und der Materialemissionen. Andere Emissionsquellen wie z. B. Transport sind nicht im Umfang dieses Tools enthalten.

Das Tool ist so konzipiert, dass es einfach zu bedienen ist, aber dennoch auf Basis verfügbarer Daten gute Einblicke in die wichtigsten Einflussfaktoren auf die THG-Emissionen der additiven Fertigung (AM) bietet.

• Energie: Megajoule (MJ)
• Leistung: Watt (W)
• Druckzeit: Minuten (min)
• Volumen: Kubikcentimeter (cm³)
• Temperatur: Grad Celsius (°C)
• Masse: Kilogramm (kg)

Nachfolgend sind die Modelle aufgeführt, die zur Berechnung des Energieverbrauchs des Druckprozesses auf Grundlage der Technologie und der Eingabeparameter verwendet werden.

FFF (Fused Filament Fabrication)

Für FFF stehen zwei Modelle zur Auswahl:

Rated Power Model:

E = 0.431 · 10^-6 · P · t · 60

die Eingabeparameter sind:

• P = Nennleistung (W)

• t = Druckzeit (min)

Dieses Modell nutzt die Leistung (oder Größe) des Druckers als Indikator für den Energieverbrauch. Es ist nützlich beim Vergleich unterschiedlicher Druckergrößen. Die Berechnung basiert auf einem Modell von D. Manford und H. D. Budinoff. (Manford, Budinoff, 2024).

Temperature-time Regression (TTR) Model:

E = -56 · 10^-3 MJ + 7 · 10^-6 MW/°C · T_E · t  + 89 · 10^-6 MW/°C · T_B · t

die Eingabeparameter sind:

• T_E = Extrudertemperatur (°C)

• T_B = Betttemperatur (°C)

• t = Druckzeit (min)

Dieses Modell nutzt Bett- und Extrudertemperaturen als Prädiktoren für den Energieverbrauch. Es ist nützlich für den Vergleich verschiedener Einstellungen und Materialien, die unterschiedliche Temperaturen erfordern. Die Berechnung basiert auf einem von N. Hopkins et al. vorgeschlagenen Modell. (Hopkins et al., 2021).

SLA (Stereolithography)

E = 20.4 W · 10^-6 · t · 60

der Eingabeparameter ist:

• t = Druckzeit (min)

Dies ist ein empirisches Modell, das von N. Hopkins et al. beschrieben wurde. (Hopkins et al., 2021). Der Stromverbrauch wurde direkt mit dem Formlabs Form 1+ SLA-Drucker gemessen, der über ein 60-W-Netzteil verfügt. Der durchschnittliche tatsächliche Stromverbrauch während des Druckvorgangs betrug 20,4 W. Das Modell beinhaltet keine Nachbearbeitung.

SLS (Selective Laser Sintering)

E = 10^-6 · P · t · 60

die Eingabeparameter sind:

• P = Durchschnittliche Leistung (W); Da wir keine Leistungsmodelle finden konnten, die mit verschiedenen SLS-Druckern getestet wurden, verwendet der Rechner drei ungefähre Kategorien für den tatsächlichen Stromverbrauch, die aus technischen Datenblättern abgeleitet wurden:

  • Kleiner SLS-Drucker: 2 kW
  • Mittlerer SLS-Drucker: 5 kW
  • Großer SLS-Drucker: 10 kW

• t = Druckzeit (min)

Diese Berechnung basiert auf der grundlegenden Beziehung zwischen durchschnittlicher Leistung, Zeit und Energie. Pulverabfall ist in diesem Modell nicht enthalten und muss zusätzlich berücksichtigt werden.

Die gesamten Treibhausgasemissionen werden berechnet, indem die Emissionen des Druckprozesses und die Emissionen aus der Materialproduktion addiert werden. Andere Emissionsquellen, wie z. B. Transport, werden von diesem Rechner nicht berücksichtigt. Die verwendete Formel lautet:

GHG_total = E · 258 gCO₂eq ⁄ 3.6 MJ + V · ρ · EI_m

Der erste Teil der Gleichung entspricht den Emissionen des Druckprozesses und wird aus dem Energieverbrauch des Druckprozesses und der durchschnittlichen Treibhausgasemissionsintensität des EU-Energiemix berechnet:

• E = Energieverbrauch beim Drucken (in MJ) – siehe Abschnitt „Technologiespezifische Modelle“, um zu sehen, wie dieser berechnet wird

• 258 gCO₂eq/kWh (1 kWh = 3.6 MJ) ist die Stromemissionsintensität der EU-27 im Jahr 2022 (EEA, April 2025)

Der zweite Teil der Gleichung entspricht den Emissionen aus der Produktion des für den Druck benötigten Materials. Die in die Berechnung einbezogenen Mengen sind:​

• V = Volumen des gedruckten Teils (cm³) – Benutzereingabe

• EIₘ = Emissionsintensität der Materialproduktion (gCO₂eq/g) – die verwendeten Daten finden Sie im Abschnitt „Daten und Referenzen“ weiter unten.

• ρ = Dichte des Materials – siehe Abschnitt „Daten und Referenzen“ weiter unten, um die verwendeten Daten anzuzeigen

Nachfolgend finden Sie eine Liste der materialbezogenen Daten, die zur Berechnung der materiellen Treibhausgasemissionen verwendet wurden (eine Beschreibung der Berechnungen finden Sie oben im Abschnitt „Formel für die gesamten Treibhausgasemissionen“). Die Datenquellen sind ebenfalls aufgeführt.

PLA (Polylactic Acid) – verwendet in FFF:

• EIₘ = 4.79 gCO₂eq/g (Quelle: GaBi LCI datenbank, Februar 2025)

• ρ = 1.24 g/cm³ (Quelle: Prusa, 2022)

ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) – verwendet in FFF:

• EIₘ = 3.22 gCO₂eq/g (Quelle: GaBi LCI datenbank, Februar 2025) *

• ρ = 1.04 g/cm³ (Quelle: Simplify3D, 2025)

*Die Daten beziehen sich auf Granulat – nur dieses war in den LCI-Datenbanken verfügbar. Die Herstellung eines Filaments erfordert zusätzliche Produktionsschritte, wodurch der Wert tatsächlich höher ist.

PETG (Polyethylene Terephthalate Glycol) – verwendet in FFF:

• EIₘ = 6.27 gCO₂eq/g (Quelle: Kimya, 2023)

• ρ = 1.23 g/cm³ (Quelle: Simplify3D, 2025)

TPU (Thermoplastic Polyurethane) – verwendet in FFF und SLS:

• EIₘ = 4.41 gCO₂eq/g (Quelle: GaBi LCI datenbank, Februar 2025) *

• ρ = 1.21 g/cm³ (Quelle: Bitfab, 2025)

*Derselbe Wert wird in FFF und SLS verwendet, da die LCI-Datenbanken nur einen einzigen Wert enthalten. In der Realität sollten die Footprints von Filament und Pulver leicht unterschiedlich sein, da unterschiedliche Produktionsprozesse beteiligt sind.

Nylon – verwendet in FFF und SLS:

• EIₘ = 6.57 gCO₂eq/g (Quelle: GaBi LCI datenbank, Februar 2025) *

• ρ = 1.14 g/cm³ (Quelle: Simplify3D, 2025) **

*Nur der Wert für PA6 wurde in zuverlässigen LCI-Datenbanken gefunden. Für alle Nylontypen und sowohl für Pulver- als auch für Filamentform wird der gleiche ungefähre Wert angenommen. Tatsächlich dürfte der Wert zwischen verschiedenen Typen sowie zwischen Pulver und Filament etwas variieren.

**Die Dichten variieren – eine Obergrenze des Bereichs wurde berücksichtigt.

PC (Polycarbonate) – verwendet in FFF:

• EIₘ = 3.41 gCO₂eq/g (Quelle: GaBi LCI datenbank, Februar 2025)

• ρ = 1.20 g/cm³ (Quelle: Simplify3D, 2025)

HIPS (High Impact Polystyrene) – verwendet in FFF:

• EIₘ = 2.18 gCO₂eq/g (Quelle: GaBi LCI datenbank, Februar 2025)

• ρ = 1.04 g/cm³ (Quelle: Simplify3D, 2025)

PP (Polypropylene) – verwendet in FFF und SLS:

• EIₘ = 1.63 gCO₂eq/g (Quelle: GaBi LCI datenbank, Februar 2025) *

• ρ = 0.90 g/cm³ (Quelle: Simplify3D, 2025)

*Die Daten beziehen sich auf Granulat – nur dieses war in den LCI-Datenbanken verfügbar. Die Herstellung eines Filaments (für FFF) oder Pulvers (für SLS) erfordert zusätzliche Produktionsschritte, wodurch die Werte tatsächlich höher ausfallen.

PPS (Polyphenylene Sulfide) – verwendet in FFF:

• EIₘ = 6.39 gCO₂eq/g (Quelle: Ecoinvent 3.8 LCI datenbank, Februar 2025)

• ρ = 1.35 g/cm³ (Quelle: Mitsubishi, 2025)

Standard SLA Harz:

• EIₘ = 3.85 gCO₂eq/g (Quelle: Bianchi et al., 2023)

• ρ = 1.23 g/cm³ (Quelle: Guang Hu et al., 2019)