Zerlegbarkeit / Modularität und Langlebigkeit

Upgradefähigkeit für Geräte/Komponenten, die technologischem Wandel bzw. schnelllebigen (Mode-)Trends unterworfen sind

Die rasante Entwicklung moderner Technologien, insbesondere im Bereich der Informationstechnologie, aber auch die massive Produktverbreitung führen dazu, dass besagte Produkte bei der Einführung neuer Innovationen infolge von Technologiesprüngen schnell veralten und von Nutzer*innen zeitnah durch ein Neugerät ersetzt werden. Lässt sich das betroffene Gerät bzw. dessen veraltete Komponente jedoch durch ein Upgrade (Hardware/Software) auf den aktuellen Stand der Technik bringen, kann die Dauer der Gerätenutzung effektiv verlängert werden. Die Upgradefähigkeit sollte daher grundsätzlich bereits in die Produktplanung Eingang finden. So kann ein modularer Geräteaufbau z.B. die technische Umsetzung von Hardware-Upgrades in der Nutzungsphase erleichtern.* Xing, K.; Belusko, M.; Luong, L. und Abhary, K. (2007): An evaluation model of product upgradeability for remanufacture. In: The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 35, S. 1–14 (abgerufen am: 30.06.2023). Dies spart nicht nur wertvolle Ressourcen ein, sondern kann Kund*innen ebenfalls zu einer nachhaltigeren Kaufentscheidung bewegen, vor allem wenn entsprechende Upgrades am Produkt ohne Spezialwerkzeug und besonderes Fachwissen eigenständig durchgeführt werden können. 

Softwareupdates zum Erhalt der Leistungsfähigkeit

Die Ausgabe von Softwareupdates dient dazu, die Leistungsfähigkeit bzw. den Stand der Technik im Rahmen des After-Sales-Managements zu erhalten, sodass sich die Nutzungsdauer eines Produkts insgesamt verlängert. Die Updatefähigkeit der Software ist jedoch an die vorhandene Hardware gekoppelt. So muss die Hardware durch die Herstellerfirma entsprechend der im Nutzungszeitraum erwarteten technologischen Entwicklung ausgelegt und jedes spätere Softwareupdate bereits in die Produktplanung miteinbezogen werden.* Kampker, A.; Hollah, A.; Kreisköther, K. und Lienemann, C. (2016): Electromobile Remanufacturing – Nutzenpotenziale für batterieelektrische Fahrzeuge (online). In: 5th Conference on Future Automotive Technology Focus Electromobility (abgerufen am: 03.07.2023), S. 4.

Modulare Bauweise von Komponenten mit kurzer Lebensspanne

Ein modularer Produktaufbau vereinfacht die Demontage und Aufarbeitung, indem veraltete Teile/Komponenten durch modernere Varianten ersetzt* Fasko, R. und Glättli, S. (2016): Geschäftsmodelle zur Förderung einer Kreislaufwirtschaft – Grundlagenbericht und Workshopergebnisse, Biel, durabilitas.doc, N°2 (abgerufen am: 04.07.2023), S. 14. bzw. Komponenten mit kurzer Lebensspanne (z. B. Batterien) oder starker Abnutzung unter geringem Aufwand erneuert werden können. Ein modulares Produktdesign vereinfacht zudem den Austausch bzw. die Weiternutzung einer aufgearbeiteten Komponente innerhalb der Produktfamilie* Steinke, L. (2021): Optimierung geschlossener Wertschöpfungskreisläufe bei beschränkten Kapazitäten, Hamburg (abgerufen am: 04.07.2023), S. 2. , sodass sich die Produktlebensdauer insgesamt erhöht.

Verringerung von Produktvarianten

Ein einheitliches Produktdesign, insbesondere von Kernkomponenten, vereinfacht die Weiternutzung innerhalb der Produktfamilie, sodass sich die Produktlebensdauer einer aufgearbeiteten Komponente signifikant verlängert. Darüber hinaus hat die Reduzierung von Produktvarianten einen positiven Einfluss auf die Produktionsplanung* Haumann, M. (2011): Variantenmanagement in der Refabrikation, Shaker Verlag GmbH, Aachen, Fortschritte in Konstruktion und Produktion. 19, ISBN 978-3-8440-0534-9 (abgerufen am: 04.07.2023), S. 3 f. , da der Refabrikationsprozess, vor allem die Demontage verstärkt automatisiert und damit kostengünstiger realisiert werden kann.* Poschmann, H. (2021): Konzeption und Entwicklung eines Robot Cognition Processors für adaptive Demontageanwendungen. Dissertation, Clausthal-Zellerfeld (abgerufen am: 04.07.2023), S. 1.

Standardisierung von Schnittstellen

Ein Austausch von Modulen bzw. Einzelkomponenten setzt produktseitig standardisierte Schnittstellen voraus. Diese stofflichen, energetischen oder informationstechnischen Schnittstellen müssen durch das herstellende Unternehmen bereits in der Produktplanung entsprechend berücksichtigt werden, damit die Updatefähigkeit innerhalb des Produktlebenszyklus zu jeder Zeit gewährleistet ist.* Schulze, V.; Aurich, J. C.; Groche, P.; Herrmann, C.; Lanza, G.; Möhring, H.-C.; Wulfsberg, J.; Mantwill, F.; Albers, A.; Bender, B.; Gerhard, D.; Jacobs, G.; Matthiesen, S.; Stark, R. und Vietor, T. (2021): Update-Factory für ein industrielles Produkt-Update – Ein Beitrag zur Kreislaufwirtschaft, Aaachen (abgerufen am: 04.07.2023), S. 24. Die Standardisierung von Schnittstellen schafft im Rahmen des Remanufacturings zudem die Grundvoraussetzung dafür, dass funktionsgleiche Teile als Ersatzteile innerhalb der Produktfamilie einsetzbar sind. 

Untersuchung der Produktlebensdauer

Um die für das Remanufacturing erforderlichen Aufarbeitungsschritte so effizient wie möglich zu gestalten, sind Kenntnisse über die maßgeblichen Versagensmerkmale eines Gebrauchtteils/Altgeräts unabdingbar.* Wang, H.; Jiang, Z.; Zhang, H.; Wang, Y.; Yang, Y. und Li, Y. (2019): An Integrated MCDM Approach Considering Demands-Matching for Reverse Logistics. In: Journal of Cleaner Production, 208, S. 199 – 210 (abgerufen am: 29.06.2023), S. 4. Die gezielte Analyse von Altteilen hinsichtlich ihrer vorrangigen Schadensmechanismen hilft, Aussagen über die durchschnittliche Lebensdauer eines Produkts zu treffen. Darüber hinaus sollten verschleißanfällige Komponenten einer Lebensdauer- und Haltbarkeitsprüfung unterzogen werden.* DIN e. V.; DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik und VDI Technologiezentrum GmbH (2023): Deutsche Normungsroadmap – Circular Economy, Berlin (abgerufen am: 12.07.2023), S. 49. Durch die gezielte Eliminierung von Schwachstellen (z. B. Schweißverbindungen) und das hieraus resultierende optimierte Produktdesign lässt sich die spätere Produktlebensdauer so bereits in der Produktplanung signifikant verlängern. 

Demontagefreundliches Produktdesign

Ein demontagefreundliches Produktdesign hilft, Baugruppen und Komponenten für eine Wieder- bzw. Weiterverwendung zerstörungsfrei zu demontieren. Grundvoraussetzung hierfür ist jedoch die Umkehrfähigkeit aller Montagevorgänge z. B. durch die Verwendung einfach zu lösender Verbindungen. Darüber hinaus sollten die Verbindungselemente vor Beschädigung durch Alterung, Verschmutzung oder Korrosion geschützt werden. So kann bspw. die Verwendung von Schutzkappen über Mutter und Gewinde die Lösbarkeit einer Schraubverbindung über den gesamten Produktlebensweg sicherstellen. Ebenso sollten Verbindungselemente so angebracht sein, dass sie leicht auffindbar und ohne den Einsatz von Spezialwerkzeugen für die Demontage gut zugänglich sind.* TU Wien – Institut für Konstruktionswissenschaft: ECODESIGN PILOT Version 3 (online) – Erhöhung der Demontagefreundlichkeit (abgerufen am: 20.02.2024).

Beispiele aus der Forschung und Entwicklung

Werterhaltungsszenarien für urbane Elektromobilität der Personen und Lasten durch additive Fertigung und Refabrikation (AddRE-Mo)

  • Remanufacturing von E-Bikes unter Einsatz von additiven Fertigungsverfahren für die Ersatzteilversorgung.
  • Entwicklung einer Prozesskette für die additive Refabrikation.
  • Untersuchung der additiv gefertigten Ersatzteile auf Langlebigkeit mit anschließender Erprobung unter realen Einsatzbedingungen.

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Kreislauffähigkeit des Elektro-Antriebsstrangs durch intelligente Demontage und Nachverfolgung (ZirkulEA)

  • Schaffung einer wirtschaftlichen Wertschöpfungskette für elektrische Antriebsstränge im Sinne einer Kreislaufwirtschaft.
  • Das entwickelte Konzept beinhaltet das demontagegerechte Produktdesign, eine adaptive/automatisierte Demontage sowie die Produktnachverfolgbarkeit der demontierten Komponenten.
  • Validierung der Ergebnisse anhand von drei Anwendungsfällen (Ausbau von Komponenten des elektrischen Antriebstrangs aus dem Fahrzeug, Demontage der Batterie bis zur Modulebene, Demontage der E-Achse).

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Industrielle Demontage von Batteriemodulen und E-Motoren (DeMoBat)

  • Entwicklung eines Konzepts zur industriellen Demontage von Batterien und E Motoren zerstörungsfrei bis auf Zellebene.
  • Erstellung von Handlungsempfehlungen für ein demontagegerechtes Batteriedesign.
  • Überprüfung des prototypischen Batterieaufbaus hinsichtlich Kapazität und Alterserscheinungen sowie Untersuchung der Handhabbarkeit mithilfe eines roboterbasierten Demonstrators.
  • Entwicklung eines effizienteren wasserbasierten Recyclingverfahrens zur direkten Wiedergewinnung der Schwarzmasse.

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Industrieller Rückbau von Elektronik-Altgeräten (IREAK): Informationstechnik für industriell geprägte Verwertungssysteme

  • Entwicklung von Software-Systemen zur Unterstützung der Demontage und Wiederverwertung von Elektronikgeräten.
  • Software-Prototyp ERGODFA/DF: Etablierung eines demontagegerechten Produktdesigns in die Konstruktionsphase durch die simultane Bewertung von Montage- und Demontageprozessen.
  • Informationssystem DEUS (Demontage-Entscheidungs-Unterstützungs-System): unterstützt die innerbetrieblichen Abläufe/Prozesse von Demontage- und Verwertungsbetrieben durch die Informationsverknüpfung entlang der Supply Chain.
  • Das ERGODFA/DFD-Tool wurde erfolgreich an einem Steuer- bzw. Radiogerät getestet.

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Zirkuläres Bauen in regenerativen Städten (CIRCuIT)

  • Untersuchung kreislauffähiger Baukonzepte zur Schaffung regenerativer Städte in Europa.
  • Urban Mining, Wiederverwendung und Rezyklieren von Baumaterialien sowie Lebensdauererhöhung von Gebäuden durch Renovierungsarbeiten.
  • Reduzierung der CO2-Emissionen sowie Steigerung der regenerativen Kapazität in den vier Modellstädten/Regionen (Kopenhagen, Hamburg, Region Helsinki und Greater London).

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Recyclinggerechte Produktkonzeption von Elektro(nik)geräten – Erstellung eines Kriterienkatalogs und dessen praktische Anwendung

  • Kriterienkatalog für ein demontagegerechtes Produktdesign von Elektro(nik)geräten.
  • Untersuchung der Demontagefähigkeit von 43 Beispielprodukten (u. a. LCD-Computermonitore, Smartphones, Rasierapparate, Akku-Schrauber).
  • Bei LCD-Computermonitoren und Smartphones keine zerstörungsfreie Demontage möglich.

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Optimierung des Ressourceneinsatzes bei Schweißkonstruktionen durch die automatisierte in-line Lebensdauerbewertung auf Basis von 3D-Scans (ORka3D)

  • Automatisierte In-line-Lebensdauerbewertung von Schweißverbindungen anhand von 3D-Scans.
  • Qualitätskontrolle für Schweißverbindungen von Rohrknoten (Baustahl (S355), Metall-Aktivgasschweißen).
  • Entwicklung einer Software zur Berechnung von Kerbformzahlen und Durchführung von Ermüdungsfestigkeitsprognosen.

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Sustainable Materials in Future Luminaire Designs – from Recycling back to Application; Teilvorhaben: Nutzungskonzept Licht (SUMATRA)

  • Entwicklung nachhaltiger Produktdesigns für LED-Leuchten auf Basis von LCA-Studien.
  • Überarbeitung der „Light-Engine” zur Materialeinsparung, Minimierung von Verlustleistungen und Erhöhung der Lebensdauer.

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Umweltfreundliche Gestaltung und Herstellung von Küchenmöbeln

  • Herstellung effizienter und umweltschonender Küchenmöbel.
  • Modulares Küchendesign sowie Updatefähigkeit von Mode- und Verschleißteilen.
  • Ressourcenschonung im Herstellungsprozess durch Verschnittreduktion und die Verringerung von Ausschussmaterial; unvermeidbares Verschnitt- und Ausschussmaterial wird weitestgehend rezykliert.

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Entwicklung von Lösungen zur recyclinggerechten Herstellung und Verarbeitung von Polstermöbeltextilien als Beitrag zum produktbezogenen Umweltschutz (Teil 2)

  • Entwicklung alternativer Verbindungslösungen für Polstermöbel zwecks verbesserter Demontagefähigkeit.
  • Reißbandverfahren – Integration eines textilen Bands in den Klammervorgang, Verringerung der Demontagezeit beträgt zwischen 33 % und 50 %.

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Gute Praxis Beispiele

Ressourcenschonung durch Langlebigkeit

Der Haushaltsgerätehersteller Miele & Cie. KG hat sich unter dem Attribut Qualität und Langlebigkeit am Markt positioniert. Miele testet als einziges herstellendes Unternehmen der Branche seine Produkte auf eine Lebensdauer von bis zu 20 Jahren, um dem Markenimage gerecht zu werden. Die Langlebigkeit von Mieleprodukten wird durch den Einsatz hochwertiger Materialien und eine solide Konstruktion garantiert. Neben einem zeitlosen Design setzt Miele zudem auf eine gute Reparierbarkeit und die Option, die Steuerungssoftware via Updates auf einem aktuellen Stand zu halten bzw. die Gerätefunktion in der Nutzungsphase zu verbessern. Zudem gewährleistet Miele über die durchschnittliche Nutzungsdauer von 20 Jahren hinaus eine zuverlässige Versorgung mit Originalersatzteilen, die ständig im Zentrallager vorgehalten werden.

Literatur:

Miele & Cie. KG (2021): Nachhaltigkeitsbericht 2021, Gütersloh [abgerufen am: 05.07.2023], verfügbar unter: m.miele.de/media/ex/ce/presseartikel/nachhaltigkeit/miele_nachhaltigkeitsbericht_2021.pdf

Modulares Smartphone 

Das Fairphone verfügt über ein langlebiges Produktdesign, ferner werden für einige Komponenten teilweise Recyclingmaterialien verwendet (z. B. Kunststoffgehäuse). Der modulare Aufbau des Fairphone vereinfacht die Demontage und ermöglicht die Durchführung von Reparaturen durch den Nutzenden vor Ort ohne die Notwendigkeit von Spezialwerkzeug. Die Modularität verlängert nicht nur die Dauer der Produktnutzung, sondern wirkt sich ebenfalls positiv auf die Recyclingfähigkeit aus, da sich die wertstoffhaltigen Komponenten leichter demontieren lassen und so getrennt aufbereitet werden können . Neben der einfachen Reparierbarkeit und dem Angebot von Ersatzteilen stellt der Hersteller Fairphone bis zu sieben Jahre nach Markteinführung (Fairphone 2) Softwareupdates zur Verfügung, um eine möglichst lange Nutzungsdauer zu ermöglichen.

Literatur:

Bergt, S. (2023): Update-Ende für das Fairphone 2 – Nutzer des Fairphone 2 brauchen ein neues Gerät oder andere Software. Die Update-Versorgung für Android sollen neue EU-Regeln verbessern., Berlin [abgerufen am: 05.07.2023], verfügbar unter: taz.de/IT-Sicherheit-bei-Smartphones/!5908394/

Softwareupdates zur Funktionsverbesserung

Tesla stellt im Rahmen seines After-Sale-Managements regelmäßige Softwareupdates zur Verfügung, um bestehende Funktionen zu verbessern und neue Merkmale einzurichten . Um eine neue Softwareversion aufzuspielen, wird via Fernzugang auf die Fahrzeugsteuerung zugegriffen. Da eine Erweiterung der Hardware (Sensorik, Aktorik und Steuergeräte) nach dem Fahrzeugkauf nicht vorgesehen ist, muss die Updatefähigkeit bei der Konzeption des Fahrzeugs durch Tesla daher entsprechend berücksichtigt werden.

Literatur:

Kampker, A.; Hollah, A.; Kreisköther, K. und Lienemann, C. (2016): Electromobile Remanufacturing – Nutzenpotenziale für batterieelektrische Fahrzeuge [online]. In: 5th Conference on Future Automotive Technology Focus Electromobility [abgerufen am: 03.07.2023], verfügbar unter: mediatum.ub.tum.de/doc/1319483/1319483.pdf

Weiterführende Informationen

Handlungsempfehlungen für die Produktentwicklung

Das Online-Werkzeug Handlungsempfehlungen unterstützt bei der Entwicklung ressourceneffizienter Produkte und gibt, abhängig von den eigenen produktbezogenen Rahmenbedingungen, Empfehlungen für die Produktgestaltung. Die Sammlung der Handlungsempfehlungen berücksichtigt dabei den Einsatz von Ressourcen über alle Produktlebensphasen.

Methode: Ressourcengerechte Gestaltungsanforderungen

Produktentwicklungen können unterschiedliche Gestaltungsanforderungen adressieren. Diese werden unter dem Begriff „Design for X“ zusammengefasst. Einige fokussieren dabei die Ressourceneffizienz in der Produktgestaltung.

Ressourcencheck „Produktentwicklung”

Nehmen Sie bereits während der Produktentwicklung den Material- und Energieverbrauch des Produkts im gesamten Lebenszyklus in den Blick und lernen Methoden zur Gestaltung ressourceneffizienter Produkte kennen. Wenn Sie alle Fragen beantwortet haben, werden Ihnen in der Auswertung mögliche Effizienzpotenziale in Ihrem Unternehmen aufgezeigt.

Modulare Produktstrukturen

Modulare Produktstrukturen stellen ein wesentliches Instrument dar, um ein Produkt länger nutzbar zu gestalten. Modularität wird dafür herangezogen, das Produkt an sich verändernde Konsummuster anzupassen oder Teile nach Gebrauch in anderen Produkten wiederzuverwenden. Um ein Produkt zu modularisieren, wurden verschiedene Ansätze entwickelt.

Ressourcenorientierte Konzeptbewertung

Verschiedene Konzepte für ein Produkt qualitativ und multiattributiv bewerten sowie vergleichen: Das Online-Werkzeug „Ressourcenorientierte Konzeptbewertung“ unterstützt die Produktentwicklung. Berücksichtigt werden technische, wirtschaftliche und ressourcenbezogene Kriterien.

Ökologische und ökonomische Bewertung des Ressourcenaufwands – Remanufacturing von Produkten

Die Erkenntnisse aus der Ökobilanzierung und den Kostenberechnungen dieser Studie sollen kleine und mittlere Unternehmen (KMU) bei Entscheidungen über wichtige produkt- und prozessbezogene Veränderungen unterstützen.
 

Matrix zur systematischen Bewertung des Remanufacturing-Potenzials
 

Die Bewertungsmatrix dient als Grundlage für eine systematische Produktbewertung in Hinblick auf die Kreislaufwirtschaft. Sie hilft Unternehmen, Produkte spezifisch auf ihre Eignung zum Remanufacturing hin zu untersuchen. Durch die strukturierte Abfrage von Kriterien erfolgen eine systematische Bewertung und Identifikation von fördernden und hemmenden Faktoren für das Remanufacturing eines Produkts. Diese Kenntnisse tragen somit zu grundsätzlichen Entscheidungen über die Eignung für ein Remanufacturing bei. Außerdem kann an der systematischen Verringerung von hemmenden Faktoren gearbeitet werden.