Entwerfen

Um natürliche Ressourcen mechanischer Produkte und mechatronischer Systeme ganzheitlich über den Lebensweg einzusparen, sind passende Gestaltungsrichtlinien (Design-for-X-Strategien) im Zuge der Auslegung und Konstruktion notwendig. Mit dem Ressourcencheck erkennen Sie Möglichkeiten der Ressourceneinsparung über eine bewusste Produktgestaltung bzw. Konstruktion Ihrer Produktentwürfe. Lernen Sie Werkzeuge und Methoden sowie Praxisbeispiele kennen.

Der Check umfasst 8 Fragen und tiefergehende Checklistenfragen decken die folgenden Bereiche ab:

- Gestaltungsrichtlinien (Design-for-X-Strategien)

- Montage- und demontagegerechte Gestaltung

- Recyclinggerechte Gestaltung

- Modulare Bauweise

- Leichtbauweise

- Fertigungsgerechte Gestaltung

- Einsatz rechnergestützter Verfahren in der Konstruktion

- Bewertungsverfahren zur Prüfung der Ressourcenaufwände und Umweltauswirkungen

Gute-Praxis-Beispiele stellen erprobte Produkte und Technologien dar, die sich in der Praxis bereits als ressourceneffizient bewährt haben. Die Beispiele können zur Inspiration in der Produktgestaltung dienen.

Die Kurzanalyse zeigt, dass die Wiederverwendung gebrauchter Produkte große Ressourceneffizienzpotenziale birgt. Unternehmen reduzieren dadurch langfristig Kosten und stärken ihre Wettbewerbsposition. Durch die Produktgestaltung werden die Grundlagen für ein Remanufacturing gelegt – beispielsweise durch einfache konstruktive Zerlegbarkeit, modularem Produktaufbau oder Verschleißfestigkeit von Komponenten. Dies wird auch „Design for Remanufacturing“ genannt; einer Strategie des Ecodesigns, die die Umweltbelastung über den gesamten Lebensweg eines Produktes senken kann.

Die Kurzanalyse bietet eine Übersicht über innovative Technologien im Leichtbau und skizziert vorhandene Ressourceneffizienzpotenziale mit dem Schwerpunkt Automobil- und Luftfahrtbranche. Dabei liegt der Fokus auf veränderten Prozessen in der Produktherstellung, dem Einsatz neuer Materialien und Verbundwerkstoffen sowie der Integration von Funktionen in Werkstoffe oder Bauteile.

Außerdem werden Potenziale und Hemmnisse aufgezeigt, die sich für die Verwertung und Beseitigung ergeben. Auf in Einzelfällen mögliche Ineffizienzen bei der Verwertung kann im Rahmen der Kurzanalyse nicht eingegangen werden. Bei den hier fokussierten mobilen Produkten überwiegen jedoch die Effizienzgewinne in der Nutzungsphase.

Der Einsatz biobasierter Materialien in der Industrie als Substitut für fossil-basierte Pendants leistet in der Regel einen Beitrag zur Reduzierung von CO2-Emissionen und unterstützt die Schonung fossiler Rohstoffe. Eine stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe im industriellen Umfeld kann allerdings auch ungünstige Umwelteinflüsse hervorrufen. Eine effiziente Nutzung landwirtschaftlicher Fläche und eine nachhaltige Produktion nachwachsender bzw. erneuerbarer Rohstoffe können dem aber entgegenwirken.

Die Kurzanalyse stellt Informationen über Vorteile, praxisrelevante Aspekte beim stofflichen Einsatz biobasierter Materialien bzw. Werkstoffe (Biokunststoffe - biobasiert oder biologisch abbaubar, Bioverbundwerkstoffe, Bioschmierstoffe) hinsichtlich Herstellung, Nutzung und Verwertung, sowie Herausforderungen bereit. Die Informationen eignen sich zur Werkstoffauswahl in der Produktgestaltung.

Zur Verringerung der Rohstoffabhängigkeiten und sich abzeichnender Versorgungsengpässe und um den steigenden Rohstoffkosten zu begegnen, ist es notwendig, vorhandene Wertstoffe sowohl zu recyceln als auch durch neu zu entwickelnde Werkstoffe zu ersetzen.

Die Kurzanalyse behandelt verschiedene Formen der Material- bzw. Werkstoffsubstitution und zeigt Anwendungspotenziale anhand von Produktbeispielen des Maschinen- und Anlagenbaus, der Automobiltechnik und des Bauwesens auf. Die Auswirkungen der Substitution auf den Lebensweg eines Produktes fallen vielfältig aus und werden gesondert beleuchtet. Da die Auswahl der spezifischen Werkstoffvarianten mit ggf. anschließender Erprobung in der Produktgestaltung erfolgt, ist diese Kurzanalyse für die Entwurfsphase nützlich.

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) gewinnen dank hervorragender mechanischer Eigenschaften bei geringem Gewicht kontinuierlich an Bedeutung. Nicht zuletzt mit Blick auf die Umwelt- und Klimaschutzpolitik wird es zukünftig einen Masseneinsatz im gesamten Leichtbausegment des Automobil-, Luftverkehrs- sowie Windenergiemarkts geben. Denn durch ihre Leichtbaueigenschaften, neuen Konstruktionsfreiräumen und Möglichkeiten zur Funktionsintegration können CFK einen maßgeblichen Beitrag zur Ressourceneffizienz vor allem in der Nutzungsphase von Autos, Flugzeugen und anderen Produkten leisten.

Die Kurzanalyse zeigt den Stand der Technik, die aktuellen technologischen Entwicklungen sowie weitere Bedarfe an Forschung und Entwicklung und Handlungsempfehlungen zur Steigerung der Ressourceneffizienz von CFK auf. Die einzelnen Kapitel orientieren sich dabei am Produktlebensweg von CFK im Automobilbau.

Ökodesign bedeutet unter anderem, Produkte so zu gestalten, dass deren Lebensende bereits von Anfang an mitgedacht wird. Doch wie kann das in der Praxis umgesetzt werden? Das Unternehmen Wilo SE produziert Pumpen und Pumpensysteme, u. a. für Heizungssysteme. Bereits in der Entwicklung der Systeme werden die Prinzipien des Ökodesigns beachtet. Beispiele dafür sind der Einsatz umweltgerechter Werkstoffe, die Optimierung der Nutzungsphase sowie eine recyclinggerechte Produktgestaltung. Für eine Rückführung der Pumpen und ihrer Bestandteile in den Kreislauf hat das Unternehmen zudem ein Rücknahme- und Recyclingsystem implementiert. Hierbei ist insbesondere die Rückgewinnung des hochwertigen Selten-Erd-Metalls Neodym in den Permanentmagneten eine Besonderheit.

Bionische Strukturen sorgen für Gewichtseinsparung, Umformreserven, hohe Formsteifigkeit und Festigkeit des Materials. Außerdem sparen sie Material und Energie in der Produktion ein (Optimierte Materialauswahl und Leichtbau). Der Film zeigt ein Verfahren zur Herstellung von wölbstrukturierten Materialien sowie ihren Einsatz in der Automobilindustrie und LED-Lampenproduktion.

Zur Optimierung der Entwicklung von Extruder-Werkzeugen (Düsen) zur Herstellung von Fensterrahmen-Kunststoffprofilen dient ein digitaler Zwilling zur Simulation von Produktionsvorgängen. Dadurch können das beste Konstruktionsergebnis sowie eine Ressourceneinsparung durch weniger hergestellte Probestücke erzielt werden.

LED-Leuchtmittel verbrauchen nur etwa ein Zehntel der Energie von Glühlampen. Jedoch sind sie häufig aus einem Mix an Materialien gestaltet, der schlecht recycelbar ist. Die Firma Seidel GmbH & Co. KG hat eines Konzept für Lampen entwickelt, das eine materialeffizientere Produktion von LED-Lampen in Deutschland ermöglicht. Weniger Komponenten, die nur mittels Steckverbindungen zusammengesetzt werden, und der Verzicht auf Kleber und Zinn für das Löten machen die Lampe rund 60 Prozent leichter als vergleichbare Produkte. Der Film zeigt Möglichkeiten für eine recyclinggerechte Produktgestaltung zur Einsparung von Ressourcen.

Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) sind sehr stabil und leicht, und sparen dadurch Gewicht und viel Energie in der Nutzungsphase ein. Das Problem: Für die Produktion der Carbonfasern wird viel Energie benötigt und das Recycling ist aufwendig. Über Ansätze zum Recycling ist jedoch bisher wenig bekannt, wobei Recycling gegenüber der Beseitigung zu bevorzugen ist.

Das Unternehmen CFK Valley Stade Recycling GmbH nutzt für eine Rückführung von CFK in den Wirtschaftskreislauf das Verbrennungsverfahren der thermo-chemischen Spaltung organischer Verbindungen – die Pyrolyse. In mehreren Arbeitsschritten bleiben am Ende lediglich die Carbonfasern nahezu schadensfrei zurück, die dann recycelt werden können. Beispiele sind die Aufbereitung und Verarbeitung zu Pellets, Fasermehl oder Beschichtung zur Einbindung in Kunststoffmatritzen. Das Epoxidharz hingegen wird gasförmig und thermisch verwertet zum Antrieb des Verfahrens.

Die Wiederaufarbeitung gebrauchter Produkte durch Remanufacturing (Qualität einer Neuware) führt zu einer Verlängerung der Produktlebensdauer, spart Energie und bis zu 90 Prozent des Materials im Vergleich zur erneuten Produktion (Refabrikation) ein. Um das umsetzen zu können, müssen bereits notwendige Entscheidungen in der Produktgestaltung getroffen werden. Der Film zeigt Beispiele aus dem Bereich Fahrzeugtechnik und aus der Wasserzählerproduktion.