Optimierte Materialauswahl

MATERIALSUBSTITUTION ZUR VERRINGERUNG DES GEWICHTS

Eine Verringerung des Materialgewichts kann im Laufe des Produktlebenszyklus viele Vorteile bringen. Insbesondere der Ressourcenaufwand im Transport und in der Produktnutzung ist hierdurch positiv beeinflussbar. Im Sinne eines konsequenten Leichtbaus gilt es also, Stoffe zu identifizieren, welche für die Nutzung relevante Materialeigenschaften abbilden und dabei eine geringere Dichte aufweisen (siehe auch VDI ZRE Kurzanalyse "Ressourceneffizienz im Leichtbau" [1]). Hierbei müssen allerdings ebenso der Energieaufwand zur Herstellung und die Recyclingfähigkeit des Materials betrachtet werden.

-> Beispiel

Leichtbau mit hochlegierten Stählen in der Fahrzeugentwicklung

Trotz verfügbarer leichterer Materialalternativen wie Aluminium oder Faserverbundstoffe wird im Automobilbau weiterhin auf Stahl als Material für den Karosseriebau gesetzt. Der Energieaufwand zur Herstellung, die Materialkosten sowie die Recyclingfähigkeit von Stahl sind insgesamt als vorteilhaft im Vergleich zu anderen für den Karosseriebau gängigen Materialien einzuschätzen. Um den Nachteil des größeren Gewichts zu umgehen, werden hochlegierte Stähle mit hoher Festigkeit verwendet. Hierdurch ist es möglich, die Stahlbauteile mit dünnen Wandstärken zu versehen und dennoch den hohen Sicherheitsanforderungen im Automobilbau gerecht zu werden. Daher stellt Stahl in der Fahrzeugentwicklung einen guten Kompromiss aus Leichtbauprinzipien und Ressourcenaufwand in der Herstellung und Wiederverwertung dar [2].

VERWENDUNG BIOBASIERTER MATERIALIEN

Aus Sicht der Ressourceneffizienz kann der Einsatz von biobasierten Materialien sinnvoll sein, welche vollständig oder teilweise aus erneuerbaren Rohstoffen bestehen. Wenn nachwachsende Materialien in ihrer natürlichen Beschaffenheit für den jeweiligen Anwendungszweck infrage kommen, sind diese in der Lebenswegbetrachtung zumeist vorteilhafter (z. B. Einweggeschirr aus Laubblättern) verglichen mit nichterneuerbaren Rohstoffen [3]. In der Praxis fallen die Anforderungen an Haltbarkeit, effiziente und skalierbare Produktion sowie optische Beständigkeit industrieller Produkte zumeist so hoch aus, dass Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen nur bedingt Anwendung finden. Ein wesentlicher Anwendungsfall, welcher sich dennoch in den letzten Jahren zunehmend etablieren konnte, betrifft die Herstellung und den Einsatz biobasierter Kunststoffe. In diesem Fall wird bei der Kunststoffherstellung ein Anteil erneuerbarer Rohstoffe verwendet (z. B. Maisstärke in PLA). Hierdurch kann zumindest ein Teil des Einsatzes von Erdöl für die Neuproduktion von Kunststoffen vermieden werden. So wird PLA z. B. erfolgreich für die Herstellung von Filamenten im 3-D-Druck eingesetzt. Für diese Materialien wird seitens der Hersteller oftmals sogar mit biologischer Abbaubarkeit und Kompostierbarkeit geworben. Die Vorteilhaftigkeit dieser Art der Entsorgung ist jedoch umstritten, da die Abbaubarkeit nur in speziellen Anlagen und unter hohen Temperaturen gewährleistet ist. Da hierfür wiederum Energie notwendig ist, ergeben sich im Vergleich zu konventionellen Recyclingwegen keine Vorteile bzw. eher Nachteile [4].

-> Beispiel

Herstellung von Fahrrädern aus Bambus

Als Alternative zu Stahl- und Aluminiumfahrrädern werden immer mehr Fahrräder mit einem Bambusrahmen gefertigt. Hierfür wird der Rahmen aus einzelnen Bambusstäben zusammengesetzt, die dann mittels in Epoxidharz getränkter Hanfseile verbunden werden. Um den Bambus haltbar zu machen, wird dieser noch lackiert [5].

VERWENDUNG VON SEKUNDÄRMATERIALIEN

Eine weitere Maßnahme, um den Ressourcenverbrauch bei der Materialherstellung zu verringern, ist die Nutzung recycelter Materialien. Diese werden dem neu herzustellenden Material meistens anteilig beigemischt, da eine komplette Herstellung aus recycelten Materialien zumeist aus Qualitätsgründen schwer umsetzbar ist. Teilweise, z. B. bei Windrädern, deren Rotoren aus Faserverbundstoffen bestehen [6], ist es auch überhaupt nicht möglich, recycelte Werkstoffe für dieselbe Anwendung wiederzuverwenden. In diesem Fall kann eine niederwertige Art der Verwertung gesucht werden (Downcycling). So können alte Rotorblätter z. B. in der Zementproduktion weiterverwertet werden [6]. Upcycling bezeichnet im Gegensatz eine höherwertige Nutzung des recycelten Materials als im Ausgangszustand (z. B. Nutzung des Aluminiums von Coladosen zur Herstellung einer Uhr).

-> Beispiel

Wiederverwendung von Kunststoffen

Ein Unternehmen entwickelt Maschinen, mit denen Kunststoffe eingeschmolzen und durch verschiedene Matrizen zu neuen Strukturen umgeformt werden können. Hieraus lassen sich schnell neue Produkte (z. B. Behälter, Teller) formen. Somit ist es möglich, Kunststoffe für einen definierten Anwendungsbereich nahezu im Kreislauf zu führen [7].

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