Kreislauffähiges Produktdesign

Es sollen Komponenten eines Produktes oder das Produkt selbst überflüssig gemacht werden. Dabei wird die grundlegende Funktion mit anderweitigen Komponenten ersetzt oder alternativ umgesetzt.

Ein Beispiel sind in Kunststoffverpackungen abgepackte Lebensmittel (Eis, Salate…). Auf dem Behälterrand ist häufig eine Folie mit dem Zweck der Trennung vom Lebensmittel und Umgebung aufgebracht. Hierrüber sitzt der Deckel. Möchte man Zugriff auf das Lebensmittel erhalten, so wird die Folie abgetrennt und entsorgt. Diese Folie wird immer öfter weggelassen. Die Abschottung übernimmt der Deckel. Dieser Deckel ist mit dem Behälter fest verbunden. Durch einen einmal zu öffnendem Verschluss (ähnlich einem Frischesiegel) wird der Deckel gelöst und kann abgenommen werden. Der Zweck der Trennung wird erfüllt – die Folie ist redundant.

Extra Verpackungen suggerieren oft die hohe Wertigkeit von Produkten. Hier kann ein Verzicht auf aus Marketinggründen gewählten Verpackungen und Beigaben ohne technischen oder gesetzmäßigen Nutzen eine nachhaltige Optimierung darstellen. Hier ist ein Umdenken (Rethink) nötig.

Hierbei geht es um eine grundlegende Neugestaltung von Produkten und Geschäftsmodellen, um nachhaltiger zu sein. Das kann bedeuten, auf langlebige, modulare oder servicebasierte Lösungen zu setzen, die den Ressourcenverbrauch minimieren. Kern dieses Prinzips ist die Analyse und ggf. Neubewertung des gesamten Produkts und seiner Bauteile sowie seines Produktionsprozesses.

In diesem Kontext wird die Einmalnutzung von Verpackungen zunehmend infrage gestellt. Die Entwicklung von Verpackungen oder Behältnissen zielt zunehmend auf eine Mehrfachnutzung und Langlebigkeit ab. Dazu gehört neben einem robusten Design, ein langlebiges Material und ein entsprechender Produktionsprozess. Produktdesigns sollten so konzipiert werden, dass kleine Defekte nicht zu einem absoluten Lebensende führen, sondern Reparierbarkeit oder Instandhaltung des Produkts ermöglichen. Auch Produktlebenszyklen sollten in diesem Zusammenhang neu gedacht werden: erfolgreiches Recycling des Produkts sollte hierbei von vornherein eingeschlossen werden. Auch alternative Geschäftsmodelle wie Sharing-Angebote können Teil dieses Rethinkprozesses sein.

Bei der Produktentwicklung wird darauf geachtet, den Materialeinsatz und den Energieverbrauch zu minimieren. Das bedeutet, Produkte so zu gestalten, dass sie weniger Ressourcen benötigen, z.B. durch Materialeffizienz, leichte Bauweisen oder modulare Designs, die den Materialverbrauch verringern. Durch Funktionsintegration mehrerer Bauteile zu einem (ggf. zunächst komplexeren), kann ggf. im Endergebnis ein geringerer Ressourceneinsatz erreicht werden.

Beispiel: Die Wandstärke eines Kunststoffartikels ist zumeist nach Erfahrungen gewählt. Mit computergestützten Methoden wie Simulationen und CAD kann die Wandstärke eines Produktes häufig reduziert werden, unter gleichzeitigem Erhalt der Struktursteifigkeit und eventueller Unterstützung durch Rippenstrukturen. Unter diesem Gesichtspunkt kann ggf. auch eine Substituierung des bestehenden Kunststoffs durch eine zunächst teurere aber in der Gesamtbilanz überlegene Alternative sinnvoll sein.

Die Vorteile dieser Optimierung liegen auf der Hand: Geringere Wandstärken führen zu reduziertem Materialeinsatz. Eine geringere Wandstärke ist während der Verarbeitung außerdem für eine geringere Zykluszeit vorteilhaft, da der Artikel schneller aushärtet und der Produktionszyklus erneut beginnen kann. Leichtere Produkte benötigen darüber hinaus weniger Energie beim Transport, was sich besonders in der Masse bemerkbar machen kann.

Nachteile der Wandstärkenreduktion ergeben sich beim Spritzgießen in Veränderungen der Fließweg-Wanddicken-Verhältnissen. Da die Fließweglänge abnimmt, kann hier auch die Formfüllung gefährdet sein. Die Lösung sind mehrere Anspritzpunkte durch Heißkanaleinsatz. Dabei bedeuten Heißkanäle zunächst einen erhöhten Energiebedarf. Dieser egalisiert sich jedoch pro Artikel durch den geringeren Materialeinsatz und somit geringeren Energiebedarf beim Plastifizieren und Abkühlen des Kunststoffs. Die Werkzeugtemperierung ist beim Spritzgießen besonders energie- und kostenintensiv. Die erhöhten Werkzeugkosten durch den Heißkanal müssen sich daher über die Stückzahl mit dem eingesparten Kunststoff, eingesparter Energie und erhöhter Produktivität amortisieren.

In der Gesamtbetrachtung haben insbesondere Optimierungen mit dem Ziel Reduzierung großes Potenzial: nachhaltige Einsätze und Planung von Ressourcen zeigen schon in der Entwicklungsphase einen wirtschaftlichen und ökologischen Vorteil. Ein ökonomischer Einsatz von Material, Energie und somit CO₂, erhöht die Produktivität. Die Folge wäre eine Senkung der Gesamtkosten und eine Erhöhung der Wettbewerbsfähigkeit.

Produkte werden so gestaltet, dass bestimmte Komponenten gezielt durch neue oder verbesserte Teile ersetzt werden können. Dem Replace Gedanken folgt der Austausch verschlissener Teile, anstatt ganzer Produkte oder Baugruppen zu entsorgen. Es bleibt die Grundstruktur lange erhalten, während Teile mit kürzerer Lebensdauer oder geänderten Anforderungen flexibel ersetzt werden. Ebenso sollte die Möglichkeit geboten werden, Materialien im Laufe des Produktlebens zu substituieren und so ein technisches Upgrade zu verleihen.

Bereits in der Designphase sollten Werkstoffe hinterfragt (Rethink) werden und leistungsfähigere Werkstoffe zum Einsatz kommen. So können beispielsweise bei Erhalt gleicher Anforderungen Wandstärken reduziert und die Lebensdauer erhöht werden.

Durch modulare Bauweisen, standardisierte Schnittstellen und eine einfache Demontage wird dieser Ersatzprozess erleichtert. Der Vorteil liegt in einer flexiblen Anpassung des Produkts an neue Anforderungen, einer Reduktion von Kunststoffabfällen und einer verlängerten Gesamtnutzungsdauer, was sowohl ökonomisch als auch ökologisch einen Beitrag zur Kreislaufwirtschaft leistet.

Produkte oder Komponenten werden so entwickelt, dass sie mehrfach unverändert verwendet werden können. Langlebigkeit des Produkts und seiner Komponenten ist das Ziel aller Bemühungen dieses Prinzips.

Vorhandene Praxisbeispiele finden sich in wiederbefüllbaren Verpackungen, wie bspw. Seifenspendern. Transportboxen und Paletten in Pfand- und anderen Umlaufsystemen sind weitere Beispiele. Ein wichtiger Baustein für die Wiederverwendung sind modulare Bauweisen, die einen einfachen Ausbau oder Austausch einzelner Teile ermöglichen und auf den Einbau in eine Folgeanwendung zielen. Dabei kann man an Absperrungen und Baken für den Straßenverkehr denken. Gehäuseteile und Schutzabdeckungen die keinen Verschleiß erfahren, wären als weitere Beispiele zu nennen. Ebenso häufig wiedereinsetzbar sind Nichtsichtelemente. Zu nennen sind bspw. Energiekettensysteme, die Kabel und Schläuche in bewegten Anwendungen führen.

Produkte werden so entwickelt, dass sie beim Defekt leicht repariert und in den Ausgangszustand / Ausgangsfunktion zurückgeführt werden können.

Eine höhere Reparierbarkeit wird insbesondere durch den Einsatz von standardisierten Komponenten sowie eine geringe Teilvielfalt unterstützt. Weitere wichtige Voraussetzungen zur Umsetzung des Prinzips, sind zugängliche und leicht lösbare Fügeverbindungen innerhalb des Produkts. Weil dieses Prinzip auch an der Nutzer:innenseite ansetzt, wirken sich auch intuitiv verständliche Reparatur- und Montageanleitungen sowie Wartungshinweise positiv aus. Hilfreich dabei können am Bauteil angebrachte Farbcodes oder Piktogramme sein, die Nutzer:innen als eindeutige Zuordnung und Handlungsanweisung dienen.

Bei der Produktentwicklung wird berücksichtigt, dass Produkte aufbereitbar sind, um sie nach Gebrauch wieder in einen neuwertigen Zustand zu versetzen und die Lebensdauer zu verlängern. Während die Reparaturfähigkeit zu einer verlorenen Funktion zurückführt, verfolgt dieser Ansatz das Ziel, ein Produkt zu aktualisieren bzw. auf den aktuellen Stand der Technik zu heben. Dafür ist es unerlässlich, dass Komponenten wartbar und austauschbar sind.

Dieses Optimierungsprinzip verfolgt die Strategie, Komponenten oder Produkte so zu gestalten, dass sie nach Gebrauch (ggf. wiederaufbereitet) und in den Markt zurückgeführt werden können – z.B. durch Austausch beschädigter Teile.

Beispiele für dieses Prinzip finden sich bei Haushaltsgeräten, in der Unterhaltungselektronik oder auch bei Automobilteilen, wie Verkleidungen oder Stoßfängern. Diese können auch nach Gebrauch / Funktion eines Produktes, noch als Ersatzteil Wieder- und Weiterverwendung finden.

Auch dieser Ansatz benötigt standardisierte Systeme und wiederlösbare Fügetechnik.

Im Rahmen dieses Prinzips werden Produkte in der Entwicklungsphase so gestaltet, dass sie am Ende ihrer Lebensdauer leicht nach Materialien getrennt und zerlegt werden können. Das Ziel ist, die so gewonnenen Materialien wieder in den Produktionskreislauf einzuführen. Bei Kunststoffprodukten geschieht dies in der Regel durch Wiederaufschmelzen des Rezyklats. Daher ist dieser Vorgang thermoplastischen Kunststoffen vorbehalten.

Als bekanntestes Beispiel dürften Flaschen aus Polyethylen (PET) gelten. Hier ist ein nahezu geschlossener Kreislauf erreicht. Leicht recycelbare Kunststoffe sind Polypropylen (PP) oder High Density Polyethylen (HDPE), die am Ende ihrer Lebensdauer einfach getrennt und wieder in den Produktionskreislauf zurückgeführt werden können. Bei Anwendung mit höherer Materialbeanspruchung, müssen technische Kunststoffe wie Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) eingesetzt werden. Funktionierende Beispiele für Recyclingstrategien finden sich in Gehäuseteilen, ebenso in Komponenten des Automobilbaus. Insbesondere bei Autoteilen kann der Recyclinganteil durch Sandwich-Spritzgießen angehoben werden. Bereits im Kreislauf befindliche Kunststoffe werden bei diesem Verfahren mit Neuware angereichert.

Im Hinblick auf die verwendeten Polymere bieten sich thermoplastische Monomaterialien an, solange die Funktion eines Produkts es zulässt. Diese sind im Gegensatz zu Duromeren wieder aufschmelzbar. Composites und Multi-Materialverbindungen sind dagegen schwer recyclebar. Bei den Letzteren spielt auch wieder eine einfach lösbare Fügetechnik eine zentrale Rolle. Dies gilt es in der Entwicklungsphase frühzeitig zu berücksichtigen. Oft sind Mulit-Materialverbindungen nicht lösbar.