Die Forschung zeigt, dass Helium aus energetischer Sicht die nachhaltigste Methode der Gaszerstäubung für die Metallpulverherstellung ist und dass der spezifische Energieverbrauch entscheidend von den Prozessparametern und der Legierungschemie abhängt. Die mechanische Pulverherstellung, wie z. B. das Kugelmahlen, wenn sie für die additive Fertigung geeignet ist, erfordert deutlich weniger Energie als die Zerstäubung.
Die Additive Manufacturer Green Trade Association ("AMGTA"), ein globaler Interessenverband, der sich für die Förderung nachhaltiger Praktiken in der Zusatzstofffertigung ("AM") einsetzt, gab heute die vorläufigen Ergebnisse eines Forschungsprojekts mit dem Titel "Specific Energy of Metal AM Feedstock: A Comparison" bekannt. Die von der AMGTA in Auftrag gegebene und von der Forschungsberatungsfirma Syntec Associates in Zusammenarbeit mit Divergent Technologies, einer kompletten modularen digitalen Fabrik für komplexe Strukturen, durchgeführte Studie untersuchte drei wichtige Verfahren zur Verarbeitung von Metall-AM-Rohstoffen - Gasverdüsung, mechanisches Fräsen (insbesondere Kugelfräsen) und Drahtziehen -, um den spezifischen Energiebedarf für die Herstellung von Rohstoffen zu ermitteln. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass aus energetischer Sicht die Helium-Gaszerstäubung die nachhaltigste Methode zur Gaszerstäubung für die Herstellung von Metallpulvern aus gängigen Legierungen ist, gefolgt von Argon und Stickstoff. Der spezifische Energieverbrauch für die Zerstäubung hängt auch entscheidend von den Prozessparametern und der Legierungschemie ab. Darüber hinaus hat die Forschung gezeigt, dass das mechanische Fräsen, wenn es für die Pulverherstellung in der additiven Fertigung geeignet ist, im Vergleich zur Gaszerstäubung eine erhebliche Verringerung des spezifischen Energieverbrauchs aufweist.
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Photo courtesy of Carpenter Additive
"Bei der Erstellung von Ökobilanzen für die industrielle Verarbeitung unserer Legierungen habe ich in der Literatur große Unterschiede beim Energieverbrauch von AM-Prozessen und der Pulververdüsung festgestellt", so Michael Kenworthy, Chief Technology Officer bei Divergent Technologies und AMGTA-Vorstandsvorsitzender. "Diese Forschung hat eine transparente Reihe von Prozessannahmen und -modellen geschaffen, auf deren Grundlage die wichtigsten Prozesshebel verstanden und Systemhandelsstudien ausgewertet werden können, die als Grundlage für zukünftige Nachhaltigkeitsverbesserungen dienen."
Zu den wichtigsten Erkenntnissen dieser Studie gehören:
- Die Heliumgaszerstäubung ist die beste Methode zur Pulverzerstäubung: Die Studie zeigt, dass die Heliumgaszerstäubung aus energetischer Sicht die nachhaltigste Methode der Gaszerstäubung ist, da sie im Vergleich zu Argon und Stickstoff für die am häufigsten verwendeten Legierungen einen deutlich geringeren spezifischen Energieverbrauch aufweist.
- Argonzerstäubtes Pulver ist besser als Stickstoff: Für diejenigen, die eine Alternative zu Helium suchen, erweist sich argonzerstäubtes Pulver als eine bemerkenswerte Option, die im Vergleich zu stickstoffzerstäubtem Pulver Energieeinsparungen ermöglicht.
- Mechanisches Mahlen übertrifft die Gaszerstäubung: Das mechanische Fräsen, insbesondere das Kugelfräsen, weist im Vergleich zur Gaszerstäubung bei der Herstellung von Metall-AM-Pulver eine erhebliche Verringerung des spezifischen Energieverbrauchs auf.
- Leitfaden für die Industrie für nachhaltige Entscheidungen: Diese Forschung unterstreicht die Bedeutung der Auswahl von Herstellungsmethoden mit dem niedrigsten spezifischen Energieverbrauch pro Kilogramm, um die Gesamtnachhaltigkeit bei der Herstellung von Ausgangsmaterialien für die additive Fertigung zu verbessern.
"Ein Hauptziel der AMGTA ist es, die Verbraucher über die nachhaltigsten Produktionsmethoden innerhalb der additiven Lieferkette aufzuklären. Diese wichtige Forschungsarbeit gibt Aufschluss darüber, welche Methoden der Gaszerstäubung die geringste Menge an spezifischer Energie pro Kilogramm benötigen", sagte Brian R. Neff, Vorstandsvorsitzender der AMGTA. "Gleichzeitig weist sie den Markt darauf hin, dass mechanische Verfahren zur Herstellung von pulverförmigem Ausgangsmaterial, wie etwa das Kugelmahlen, aus energetischer Sicht um eine Größenordnung besser sind als die Gaszerstäubung."
Die Gaszerstäubung, die als vielversprechende Technologie zur Herstellung von Pulverrohstoffen für die additive Fertigung gilt, war ein Schwerpunkt der Studie. Die Untersuchung ergab, dass die Gaszerstäubung mit Helium als Zerstäubungsgas im Vergleich zu Argon (im Durchschnitt 13 % besser) und Stickstoff (im Durchschnitt 28 % besser) den geringsten spezifischen Gesamtenergieverbrauch aufweist. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass mit Argon zerstäubtes Pulver im Vergleich zu mit Stickstoff zerstäubtem Pulver den Energiebedarf für die untersuchten Legierungen (SS316L, Al5083 und IN718) um 12 % reduziert.
Die Studie unterstreicht auch die Effizienz der mechanischen Pulverherstellung, insbesondere des Kugelmahlens, das im Vergleich zur Gaszerstäubung bei den untersuchten Prozessbedingungen eine Verbesserung des spezifischen Energieverbrauchs um etwa 90 % aufweist. Weitere Untersuchungen werden empfohlen, um die Auswirkungen der Verwendung von heliumzerstäubtem und/oder kugelgemahlenem Pulver auf bestimmte Produktkategorien zu ermitteln.
"Diese Forschungsarbeit steht im Einklang mit dem Engagement der AMGTA für ein besseres Verständnis nachhaltiger Fertigungsverfahren, die additive Technologien nutzen", sagte Sherri Monroe, Geschäftsführerin der AMGTA. "Diese Ergebnisse unterstreichen die wichtigsten Überlegungen für Hersteller, die nach umweltfreundlichen Verfahren zur Herstellung von Rohstoffen suchen. Um die Nachhaltigkeit in der additiven Fertigung voranzutreiben, ist Forschung unerlässlich, um fundierte Entscheidungen treffen zu können."
Die Highlights der Studie sind auf der Website der AMGTA zu finden. Die AMGTA geht davon aus, dass sie im Laufe des Jahres 2024 weitere unabhängige Forschungsergebnisse veröffentlichen wird. Weitere Informationen zu dieser und anderen von der AMGTA durchgeführten Studien finden Sie auf der AMGTA-Website unter www.AMGTA.org.
Über die AMGTA
Die AMGTA wurde 2019 gegründet, um die Umweltvorteile der additiven Fertigung in der globalen Wirtschaft besser zu verstehen und zu fördern. Die Mitglieder der AMGTA repräsentieren das gesamte Fertigungsspektrum - vom Design und den Rohstoffen bis hin zu den Endprodukten und Anwendern - und konzentrieren sich auf die Innovation besserer, nachhaltigerer und finanziell vorteilhafterer Produkte durch beste additive Verfahren. Für weitere Informationen besuchen Sie bitte www.amgta.org.
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Sherri Monroe
smonroe@amgta.org
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