Inhaltsverzeichnis II

Inhaltsverzeichnis   

Abk  urzungsverzeichnis  IV

Symbolverzeichnis   V

Abbildungsverzeichnis   VIII

1  Einleitung  1

2  Begriffliche und konzeptionelle Grundlagen  3

2.1  Begrifflichkeiten und Definitionen der Reverse Logistics  3

2.2  Begriffe zur Demontageplanung und Abgrenzung zur Montageplanung  4

2.3  Darstellungsm oglichkeiten der Demontagevorg ange  6

2.4  Zusammenhang zwischen Demontagetiefen- und Demontagereihenfolge-  

planung   8

2.5  Der Einfluss von Unsicherheit bei der Informationsgewinnung f ur die  

Planung  der Demontage  9

2.6  Einordnung der ausgew ahlten Modelle in den wissenschaftlichen Kontext  10

3  Bestimmung der optimalen Demontagetiefe nach Penev und De Ron  13

3.1  Formulierung des Problems  13

3.2  Anwendung der Graphentheorie auf das Problem  14

3.3  Ansatz zur Bestimmung der optimalen Demontagetiefe  15

4  Bestimmung der optimalen Demontagetiefe nach Krikke et al.  19

4.1  Voraussetzungen und  

Uberblick  uber das Problem  19

4.2  Annahmen und Modellformulierung  20

4.3  Mathematische Optimierung des Demontageplans  23

4.4  Optimierung des Recyclings  26

5  Erzeugung des optimalen Demontageplans nach Johnson und Wang  29

5.1  Voraussetzungen und Ziele des Ansatzes  29

5.2   

Okonomische  Analyse der m oglichen Handlungsoptionen  30

5.3  Erstellung des optimalen Demontageplans  34

5.4  Optimierung des Demontageprozesses  37

6  Vergleich und Beurteilung der Modelle  39

7  Fazit  41

Literaturverzeichnis 42

Abk¨ urzungsverzeichnis

CAD Computer Aided Design

DEI Disassembly Effort Index

DFD Design for Disassembly

DO Demontageoperation(en)

GRASP Greedy Randomized Adaptive Search Procedure

KWO Kreislaufwirtschaftsoption(en)

MILP Mixed Integer Linear Programming

PLM Profit Loss Margin

Symbolverzeichnis

Das Verh¨ altnis zwischen der Masse einer Fraktion j bzgl. der α j

Gesamtmasse des geschredderten Bauteils

∆P LM Child Kostenvorteil aus ¨ ahnlichen Operationen

∆P LM P arent Kostenvorteil aus kompatiblen Materialien

∆w j (h, m, s | q) Verminderung des Ertrags w j (h | q), wenn m von j aus q getrennt wird als Ergebnis der Anwendung von h; wird das Material vor der Anwendung von h getrennt, gilt: s = −1; wird es danach getrennt, gilt: s = 1

Ω Optimaler Demontageplan

Materialtransformationsoption (separates Recycling), a = 0...A, a

(a = 0) entspricht keiner Transformation

A h (j, q, m, s) Menge der machbaren Recyclingoptionen f¨ ur m aus j in q, die in Kombination mit der Transformationsoption h angewandt wird; wird das Material vor der Anwendung von h getrennt, gilt: s = −1; wird es danach getrennt, gilt: s = 1

Montagekosten C as

Kosten f¨ ur das ausgetauschte Bauteil C c

Demontagekosten f¨ ur das k-te Bauteil C D k Demontagekosten von Bauteil j C dis,j Demontagekosten C dis

Kosten durch zerst¨ orende Demontage des Bauteils j C dm,j

Kosten der Entsorgung nach Demontage C dp,a

Kosten der Entsorgung ohne Demontage C dp

Gesamte Demontagekosten f¨ ur n demontierte Bauteile C DT

Arbeitsaufwand in Geldeinheiten pro Zeiteinheit c L Sonstige Kosten C m

Entsorgungskosten f¨ ur das k-te Bauteil C P k

Gesamte Entsorgungskosten f¨ ur alle m Bauteile C P T

Separationskosten der Materialfraktion j C sep,j

Schredderkosten f¨ ur das Bauteil i C shr,i

Demontagekosten von j in Klasse q D jq

Gewichtungsfaktor, liegt zwischen 0 und 1 df

Kostenreduzierung, die aus ¨ ahnlichen Merkmalen resultiert do f l (j, q) Maximal erreichbarer vorhergesagter Nettoertrag f¨ ur j in q

Transformationsoption f¨ ur Bauteile, h = 1...H h H (j, q) Menge der machbaren Transformationen f¨ ur Bauteil j aus q

h ^∗ (j | q) Optimale Option h f¨ ur Bauteil j in Klasse q in Kombination mit Materialtrennung

Nummer des Bauteils, j = 0...J, j = 0 ist das Altprodukt selbst j

Die Anzahl der Materialfraktionen k

Menge der direkten Nachfolger k von j, K j = ∅ f¨ ur Komponen- K j

ten

Demontagestufe l = 0...L l l (j) Demontagestufe von j

Material m = 1...M m

Masse des geschredderten Bauteils i eines Altprodukts M i

Kostenreduzierung, die aus kompatiblen Materialien resultiert mc Materialwert des Bauteils k mv k

Anzahl der wiederverwendeten Bauteile n n (j, q) Anzahl der machbaren KWO

Anzahl der wertvollen Bauteile p Ertrag von Bauteil j P j

Nettoertrag bei Entsorgung des k-ten Bauteils P LM Disposal

Punkt im Demontageprozess, bei dem P LM T maximal ist P LM max

Nettoertrag bei Anwendung einer KWO auf das k-te Bauteil P LM Recovery

Gesamtnettoertrag f¨ ur R¨ uckgewinn und Entsorgung P LM T

Qualit¨ atsklasse des Bauteils, q ∈ Q (j) q Q (j) Menge der Qualit¨ atsklassen f¨ ur j

Machbare KWO 1 ≤ r ≤ n (j, q) oder Demontage (r = 0) , r ∈ r

R (j, q)

R (j, q) Menge der machbaren KWO f¨ ur Bauteil j in Klasse q; R (j, q) = {1...n (j, q)} f¨ ur Komponenten, R (j, q) = {0...n (j, q)} f¨ ur Baugruppen

r ^∗ (j, q) Optimale KWO r f¨ ur j in Klasse q

Nettoertrag aus Verkauf der Komponenten nach der Demontage R dis

Nettoertrag aus zerst¨ orender Demontage f¨ ur Komponente eins R dm1

Nettoertrag aus zerst¨ orender Demontage f¨ ur Komponente zwei R dm2

Ertr¨ age der Materialfraktion j - negativ, falls das Material ent- r j

sorgt werden muss

Maximaler Nettoertrag R max

Nettoertr¨ age durch Schreddern R shr Ertrag des Bauteils k Rv k r (j, q) Optimale Recyclingstrategie f¨ ur das Paar (j, q)

Variable, die angibt, ob eine Trennung des Materials vor (s = s

−1), nach (s = 1) oder g¨ anzlich ohne (s = 0) Transformation des Bauteils stattfindet

S (l) Menge der Bauteile auf Demontagestufe l

SA (l) Menge der Komponenten auf Demontagestufe l

SN A (l) Menge der Baugruppen auf Demontagestufe l

Demontagezeit f¨ ur das k-te Bauteil t k

Gesamtanzahl der Bauteile eines Altprodukts u

Anzahl der demontierten, aber entsorgten Bauteile v

Wert des Produkts nach der Reparatur V pr

Theoretischer Wert des Altprodukts V th w (a, s) jmh|q Nettoertrag der Transformation des getrennten Materials m von j aus q bzgl. a, wenn die Transformationsoption h auf j ange-wandt wird; wird das Material vor der Anwendung von h getrennt, gilt: s = −1; wird es danach getrennt, gilt: s = 1

w j (h | q) Nettoertrag des Recyclings von j in q mit der Transformationsoption h und ohne Materialtrennung

w j (r | q) Nettoertrag der optimalen Recyclingstrategie r f¨ ur j in q

(h | q) Maximaler Nettoertrag durch Recycling des Bauteils j in q w max

j

durch Transformationsoption h in (optimaler) Kombination mit Materialtrennung

Abbildungsverzeichnis   VIII

Abbildungsverzeichnis   

2.1  Komponenten eines Kugelschreibers (nach De Fazio und Whitney 1987, S.644)  6

2.2  Verbindungsgraph eines Kugelschreibers (nach De Fazio und Whitney 1987,  

S.644  )  7

2.3  AND/OR-Graph des Kugelschreibers (nach Lambert und Gupta 2004,  

187)   7

4.1  Demontagebaum eines Fernsehers des Typs X (nach Krikke et al. 1998,  

117)   20

5.1  Die Bedeutung der Demontagesequenz (nach Johnson und Wang 1995,  

3124)   31

5.2  Zunahme des Materialwertes bei der Demontage (nach Johnson und Wang  

1995,  S. 3124)  31

5.3  Die optimale Demontagesequenz f ur kompatible Materialien (nach Johnson  

und  Wang 1995, S. 3130)  35

5.4  Darstellung der Ertr age und des Demontageaufwands (nach Johnson und  

Wang  1995, S. 3134)  38

5.5  Ermitteln von M oglichkeiten f ur DFD (nach Johnson und Wang 1995,  

3134)   38

1 Einleitung

Beschr¨ ankte nat¨ urliche Ressourcen und Umweltbelastungen durch unzureichende Ab-fallentsorgung haben ein Umdenken in der Abfallwirtschaft erforderlich gemacht. Auch die permanente Weiterentwicklung rechtlicher Rahmenbedingungen in Deutschland und der EU verpflichten u. a. Hersteller aus der Elektro- und Automobilbranche zur R¨ ucknahme von Produkten, die am Ende ihres Produktlebenszyklus stehen. Dies f¨ uhrt zu einer verst¨ arkten Bedeutung von Reverse Logistics in der Wissenschaft und der Praxis. Die fachgerechte Entsorgung gef¨ ahrlicher Substanzen liegt in der Verantwortung des Herstellers. Dadurch sind diese zu einer sorgf¨ altigen Planung der Demontage gezwungen mit dem Ziel, die Umwelt zu sch¨ utzen und wertvolle Bestandteile der Altprodukte zur¨ uckzugewinnen. Dies k¨ onnen verwendete Materialien oder ganze Baugruppen sein, die mit Hilfe verschiedener Handlungsoptionen im Rahmen von Reverse Logistics wiederverwendet werden k¨ onnen. Dazu wird nach der Sammlung der Altprodukte auch ihre Demontage notwendig. Das wesentliche Ziel f¨ ur Unternehmen beinhaltet dabei die wirtschaftliche Gestaltung des Demontageprozesses. Somit r¨ ucken neben o. g. ¨ okologischen Aspekten auch ¨ okonomische Aspekte, wie die Maximierung der Ertr¨ age und die Minimierung der Kosten in den Fokus der Demontageplanung. Dazu muss eine umfassende Strategie implementiert werden, die verschiedene Aspekte ber¨ ucksichtigt. Zun¨ achst muss im Rahmen der Demontagelosgr¨ oßenplanung eine optimale Menge der zu beschaffenden Altprodukte bestimmt werden. Danach muss im Zuge der Demontagetiefenplanung festgelegt werden, welche Komponenten zu demontieren sind. Die Demontagereihenfolgeplanung zielt darauf ab, einen f¨ ur die festgelegten Ziele optimalen Demontageablaufplan zu erstellen. Im Laufe der vorliegenden Arbeit wird sich zeigen, dass die Planung der Demontagetiefe und die Planung der Demontagereihenfolge eng miteinander verbunden sind. Auf die Demontagelosgr¨ oßenplanung wird in dieser Arbeit nicht eingegangen, da der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Planung der Demontagetiefe liegt.

Diese Arbeit l¨ asst sich in zwei Teile gliedern, die wiederum in sieben Kapitel untergliedert werden. Den Einstieg in diese Arbeit bildet eine kurze Einleitung, die die Notwendigkeit einer umfassenden Demontageplanung herausstellt. Im zweiten Kapitel dieser Arbeit ist es zun¨ achst das Ziel, Begriffe der Reverse Logistics und der Demontageplanung zu definieren. Danach sollen die Unterschiede zur Montage herausgestellt werden und auf den Zusammenhang zwischen Demontagetiefen- und Demontagereihenfolgeplanung eingegangen werden. Des Weiteren werden verschiedene Darstellungsm¨ oglichkeiten von Demontagevorg¨ angen beschrieben. In diesem Kontext werden der Verbindungsgraph und der AND/OR-Graph erkl¨ art. Im weiteren Verlauf dieses Kapitels werden Entscheidungsprobleme der Demontageplanung erl¨ autert. Dabei wird

der Faktor Unsicherheit anhand von nicht vorhersehbaren Mengen, Zust¨ anden und Varianten der Altprodukte erl¨ autert. Im letzten Teil dieses Kapitels werden verschiedene Modelle der Demontagetiefenplanung kategorisiert.

Nach dieser Vorbetrachtung liegt der Schwerpunkt im Hauptteil dieser Arbeit auf der Erl¨ auterung der Modelle zur Demontagetiefenplanung. Das Ziel ist es, verschiedene Ans¨ atze vorzustellen und anschließend ihre Besonderheiten zu diskutieren. Daher soll in Kapitel drei zun¨ achst ein Modell unter Verwendung der Graphentheorie zur Zerlegung eines komplexen Produkts von Penev und De Ron vorgestellt werden. Innerhalb dieses Ansatzes wird ein Demontageplan generiert mit der Zielsetzung, den Nettoertrag zu maximieren und dabei gleichzeitig ¨ okologische Aspekte zu ber¨ ucksichtigen. In diesem Ansatz ist es notwendig, den Endzustand des zur¨ uckgef¨ uhrten Altprodukts vor der Erstellung des optimalen Demontageplans festzulegen. Weiterhin kann ein bevorzugt zu demontierendes Bauteil bzw. eine Fraktion gew¨ ahlt werden. Ferner wird in Kapitel vier ein Modell von Krikke et al. vorgestellt, in dem bestimmt wird, in welchem Umfang ein Altprodukt zerlegt werden soll und welche Kreislaufwirtschaftsoptionen angewandt werden, um den Nettoertrag zu maximieren. Ein besonderer Aspekt ist hierbei, dass es sich um ein wahrscheinlichkeitstheoretisches Modell handelt, das die qualitativen Zust¨ ande der Altprodukte ber¨ ucksichtigt. Das in Kapitel f¨ unf vorgestellte Modell von Johnson und Wang erzeugt einen optimalen Demontageplan f¨ ur selektive Demontage. Dazu wird zun¨ achst der optimale Demontageplan f¨ ur vollst¨ andige Zerlegung eines Altprodukts erzeugt. Danach wird mit dem Ziel der Maximierung des Nettoertrags und gr¨ oßtm¨ oglicher Ausbeute aus dem Demontageprozess ein optimaler selektiver Demontageplan erzeugt, der die Demontage bevorzugter Bauteile erm¨ oglicht. Abschließend sollen in Kapitel sechs die drei Modelle verglichen und beurteilt werden.

Folgende Leitfragen sollen in dieser Arbeit beantwortet werden:

• Was ist Demontage und welche Handlungsoptionen gibt es im Rahmen von Reverse Logistics?

• Wie l¨ asst sich der Demontageprozess grafisch darstellen?

• Welcher Zusammenhang besteht zwischen Demontagetiefen- und Demontagereihenfolgeplanung?

• Wie lassen sich bestehende Ans¨ atze zur Demontagetiefenplanung kategorisieren?

• Wie k¨ onnen allgemeine Modelle zur Demontagetiefenplanung formuliert werden und welche Aussagen k¨ onnen bzgl. Berechnungsaufwand und Qualit¨ at der gefun- denen L¨ osung getroffen werden?

2 Begriffliche und konzeptionelle

Grundlagen

2.1 Begrifflichkeiten und Definitionen der Reverse

Logistics

Um einen Einblick in das Thema zu erlangen, ist es zun¨ achst notwendig, auf theoretische Grundlagen einzugehen. Aus diesem Grund werden die in dieser Arbeit verwendeten Begriffe und Definitionen in diesem Abschnitt erl¨ autert. Zur erneuten Verwendung von Altprodukten sowie deren Bauteilen oder Materialien gibt es verschiedene Handlungsoptionen. Diese werden im Folgenden Kreislaufwirtschaftsoptionen (KWO) genannt. ¹ Dazu z¨ ahlen die folgenden Strategien: Im Rahmen der Reuse Strategie kann ein Produkt ohne jegliche Aufarbeitung wiederverwendet werden. Beim Remanufacturing wird das Altprodukt auf einen (ann¨ ahernd) neuwertigen Zustand aufgearbeitet. Dazu wird es demontiert, inspiziert und defekte Bauteile ausgetauscht. Auch der Austausch von technologisch ¨ uberholten Bauteilen kann hier stattfinden (Upgrade).

Anschließend wird das demontierte Altprodukt wieder zusammengesetzt und erneut in den Kreislauf gebracht. Das Refurbishing funktioniert ¨ ahnlich wie das Remanufacturing mit dem Unterschied, dass das Altprodukt nur bis zu einem festgelegten Qualit¨ atsniveau aufgearbeitet wird. Dabei kann auch das Upgraden enthalten sein. Im Gegensatz zur Reparatur, bei der ausschließlich defekte Bauteile ausgetauscht werden. Auch das Recycling wird als KWO verstanden. Dabei werden Materialien oder Stoffe aus dem Altprodukt zu Sekund¨ arrohstoffen aufbereitet unter Zerst¨ orung der Produkt- und Funktionsstruktur. Dem Recycling werden auch damit in Zusammenhang stehende Transformations- oder Separationsprozesse zugeordnet. Transformationsprozesse beinhalten die Umwandlung eines Bauteils mit Hilfe von Demontage in Baugruppen und/oder Komponenten oder aber in ein Gemenge aus seinen verschiedenen Materialien durch z. B. Schreddern. ² Separationsprozesse umfassen die Isolierung eines oder mehrerer Materialien aus diesem Gemenge. Zu den KWO i. w. S. z¨ ahlen die Energiegewinnung und die Entledigung. Bei der Energiegewinnung werden Materialien verbrannt. Dadurch wird die in ihnen enthaltene Energie gewonnen z. B. zur Stromerzeugung. Unter dem Begriff Entsorgung werden alle Maßnahmen verstanden, die das Ziel beinhalten, einen Stoff aus dem Kreislauf zu entfernen und ihn in keiner Form wieder nutzbar zu machen. 3

¹ Vgl. Schmid 2009, S. 12.

² Vgl. Krikke/van Harten/Schuur 1998, S. 119.

³ Vgl. Schmid 2009, S. 13.