Recyclinggerechte Produktgestaltung. Die VDI-Richtlinie, Werkstoffauswahl und Konstruktion

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1. Einleitung

2. Anforderungen
2.1 Recycling
2.2 VDI-Richtlinie

3. Gestaltungsinstrumente
3.1 Werkstoffauswahl
3.2 Form
3.3 Konstruktion

4. Technische Anforderungen des Recyclings
4.1 Recyclingformen
4.2 Recyclinggerechte Werkstoffauswahl
4.3 Recyclinggerechte Konstruktion
4.3.1 Aufbau
4.3.2 Verbindungstechnik

5. Fazit

Anhang

Literaturverzeichnis

Internetquellen

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Vor- und Nachteile der Grundmaterialien

Abbildung 2: Zur Anordnung von Produktteilen im Raum

Abbildung 3: Verfahrensschritte beim Kraftfahrzeug-Recycling

Abbildung 4: Sandwichbauweise: Produktbeispiel Telefon

Abbildung 5: Reduzierung von Verbindungselementen: Produktbeispiel Spindelaufnahme

Abbildung 6: Beispielprodukt Türrahmen

1. Einleitung

Die von der Politik und Gesellschaft gestellte Anforderung, Produkte recyclinggerecht zu gestalten, gewinnt zunehmend an Bedeutung. Allerdings stellt diese Anforderung für die Unternehmen eine Herausforderung dar, denn Produkte werden grundsätzlich nach den Anforderungen hinsichtlich ihrer Anwendung gestaltet und dass sie sich von den Produkten der Konkurrenz abheben. An dieser Stelle müssen sich die Unternehmen überlegen, wie sie Produkte recyclinggerecht gestalten und gleichzeitig wettbewerbsfähig bleiben können. Zielkonflikte sind hier unvermeidbar, denn der Konstrukteur muss sich in erster Linie an andere Vorgaben halten. Hinzu kommen weitere Ökologieansprüche, wie z.B. die Senkung des Treibstoffverbrauchs. Hier ist abzuwägen, ob diese Ansprüche oder die Recyclingfähigkeit der Produkte besser für die Umwelt sind.¹ Dabei muss der gesamte Lebenszyklus eines Produkts, d.h. die Produktion, der Produktgebrauch und die Entsorgung berücksichtigt werden.² „Am Ende zählt aber nicht nur das gesamtökologisch freundlichste Produkt, sondern das ökologisch günstigste, das sich auch am Markt durchsetzen kann.“³ Durchaus bieten sich aber durch die recyclinggerechte Produktgestaltung auch die Möglichkeiten an, sich am Markt einen Vorteil zu verschaffen und Kosten einzusparen, indem man Produkte mit niedrigen Entsorgungskosten anbietet und daraus die einzelnen Teile und Komponenten wiederverwendet.⁴ Die Recyclingtechnologie ist ebenso ein wichtiger Aspekt, der betrachtet werden muss. Die Gesetze und Anforderungen seitens der Politik basieren auf dem Status der Technik. Diese ist in einigen Bereichen noch nicht ausgereift, entwickelt sich aber immer schneller.⁵ Demzufolge muss das Recycling auf dem gleichen technischen Stand, wie die Herstellung der Produkte sein, um für die Unternehmen profitabel zu sein.

Recycling ist die Wieder-/Weiterverwendung oder Wieder-/Weiterverwertung von Produkten oder Komponenten⁶ bzw. die Weiterverwertung von Abfällen in einem Kreislauf.⁷ Das Ziel ist es, verwertete Produkte oder Stoffe wiederzuverwenden, denn nur so macht es Sinn, Produkte recyclinggerecht zu gestalten.⁸

Der Produktgestaltungsprozess beginnt mit den Anforderungen, die von den Nachfragern, dem Handel, der Logistik und Politik gestellt werden. Diese werden vom Produktmanager analysiert und erfasst, denn er kennt den Markt und die Zielgruppen. Um alle Anforderungen zu erfüllen, koordiniert der Produktmanager die einzelnen Abteilungen. Die Anforderungen leitet er an die Entwickler bzw. Produktdesigner weiter, damit diese ihre Arbeit aufnehmen können.⁹ Weiterhin ist der Produktmanager fest in der Produktgestaltung involviert. Dazu muss er wissen, wie ein Produkt, vor allem ein recyclinggerechtes Produkt, überhaupt gestaltet wird. Jedoch ist es nicht notwendig, dass er sich bis ins kleinste, technische Detail damit auskennt. Dafür besitzen andere Mitarbeiter, die an der Produktgestaltung mit beteiligt sind, besseres Fachwissen, auf das der Produktmanager bei Bedarf zurückgreifen kann. Der Produktmanager muss verstehen, dass zur Gestaltung von Produkten elementare und komplexe Gestaltungsinstrumente zur Verfügung stehen, die gleichzeitig die Grundlagen der Produktgestaltung darstellen. Dazu zählen die Werkstoffauswahl, die Form und die Konstruktion. Alle Gestaltungsinstrumente sind auf einer gewissen Weise voneinander abhängig und erbringen einzeln und kombiniert unterschiedliche Leistungen. Zunächst einmal benötigt der Produktmanager einen groben Überblick über die vorliegenden Werkstoffe. Das gelingt, indem die Werkstoffe folgendermaßen in Gruppen eingeteilt werden: Metalle, Glas und Keramik, Polymere und Composites. Zusätzlich ist es nützlich, die Eigenschaften und die damit einhergehenden Vor- und Nachteile der Werkstoffe zu kennen. Bei der Form ist es wichtig zu verstehen, dass diese aus Elementen besteht, die miteinander verbunden sind. Darüber hinaus ist die Ergonomie ein bedeutender Aspekt. Mit Hilfe des dritten Gestaltungsinstruments, der Konstruktion, kann der Produktmanager erkennen, wie ein Produkt aufgebaut und die einzelnen Komponenten angeordnet sind.

Zusätzlich kommt ab diesem Punkt der Recyclingaspekt hinzu. Hierbei wird muss der Produktmanager die Recyclingfähigkeit der Werkstoffe und die recyclinggerechte Konstruktion hinsichtlich der Demontage und Verbindungstechnik berücksichtigen.

2. Anforderungen

Die wohl größte Herausforderung bei der Produktgestaltung ist es, alle Wünsche bzw. Anforderungen der Nachfrager und der Gesellschaft zu erfüllen. Vor allem bei der recyclinggerechten Produktgestaltung wird dies schwierig, denn hier kommen zusätzlich von verschiedenen Seiten Ökologieansprüche hinzu. Die Nachfrager wollen ein leistungsfähiges, qualitativ hochwertiges Produkt, welches einwandfrei funktioniert. Das Produkt soll langlebig, montage- und demontagegerecht und für einen angemessenen Preis erhältlich sein. Neben diesen Standardanforderungen soll das Produkt nach erstmaligem Gebrauch zumindest recyclingfähig sein. „Fortentwicklungen in den Recyclingtechnologien sowie neue Werkstoffe und Gestaltungstrends machen eine kontinuierliche Aktualisierung der Anforderungen der recyclingorientierten Produktgestaltung notwendig.“¹⁰

2.1 Recycling

Dem Nachfrager ist neben den genannten Anforderungen eine unkomplizierte Entsorgung ebenso wichtig. Der Handel legt beispielsweise großen Wert darauf, dass er nach der Nutzung des Produktes, dieses wieder an den Hersteller zurückgeben kann. Die Hersteller sind nach dem Abfallgesetz dazu verpflichtet, gebrauchte Produkte zurückzunehmen. Daraus entstehen wiederum Ansprüche an die Logistik, denn die retournierte Ware muss transportiert, sortiert und gelagert werden. Die Verpackung der Produkte spielt hier eine wesentliche Rolle. Durch eine gute Faltbarkeit können z.B. mehr Verpackungen transportiert werden. Außerdem sollten die Transportwege kurzgehalten werden – Bierkästen verringern beispielsweise die Länge der Strecke, da der Transport von Flaschen nach dem Bedarf gerichtet wird. Die Anforderung an den Hersteller besteht daraus, Gesetze und Vorschriften einzuhalten, wie z.B. das Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz. Darüber hinaus muss er sich die Frage stellen, welche Gewinnaussichten er durch die recyclinggerechte Produktgestaltung hat. An die Gestaltung selbst besteht die Forderung, sortenreine Werkstoffe, statt Verbundwerkstoffe zu verwenden.

Besonders wenn der Anspruch auf ein recyclinggerechtes Produkt besteht, können gewisse Anforderungen nicht miteinander vereinbart werden. Es entstehen Zielkonflikte, die zur Befriedigung aller Beteiligten gelöst werden müssen. In solch einer Situation ist es notwendig, die einzelnen Anforderungen zu gewichten, um herauszufinden, wie das Produkt schlussendlich gestaltet werden soll.¹¹

Diese Anforderungen sind zugleich Restriktionen¹², die als Input für die Produktgestaltung von großer Bedeutung sind, bereits in der Planungsphase berücksichtigt werden und Grundlage für die Konstruktion darstellen. Neben dem ökologischen Gesichtspunkt werden soziale, wirtschaftliche, technische und rechtliche Aspekte über den gesamten Produktlebenszyklus berücksichtigt.¹³

In einem Forderungskatalog können alle Anforderungen festgehalten und nach Arbeitsschritten gegliedert werden. Diese beginnen mit den Funktionsprinzipien, in denen beschrieben wird, wie ein Produkt beispielsweise angetrieben, geheizt oder gekühlt wird. Der nächste Schritt beinhaltet die Werkstoffwahl, die den stärksten Einfluss auf das Recycling hat, wobei die Fertigungsverfahren ebenso dazu beitragen. Der letzte Punkt berücksichtigt das Recyclingverfahren und somit die Zusammensetzung von Werkstoffen, damit diese entsprechend recycelt werden können.¹⁴

2.2 VDI-Richtlinie

Um Produkte recyclinggerecht zu gestalten, benötigt die Konstruktion Richtlinien, die in Industrie- und Werknormen enthalten oder von Industrieverbänden vorgegeben sind. Die Richtlinien des VDI bilden die Grundlage der recyclingorientierten Anforderungen an die Konstrukteure.¹⁵ Insbesondere die VDI-Richtlinie 2243 „Recyclingorientierte Produktentwicklung“¹⁶ ist für jeden Konstrukteur, der in der recyclinggerechten Produktgestaltung mit involviert ist, essentiell. Diese Richtlinie bezieht sich auf die Gebiete des Recyclings bei der Produktion, während des Produktgebrauchs und nach dem Produktgebrauch. Neben der Gebrauchstauglichkeit und Funktionsfähigkeit der Produktgestaltung werden hier zusätzlich die Aspekte Wiederverwendung, Weiterverwendung, Wiederverwertung und Weiterverwertung berücksichtigt. Allerdings hilft diese Richtlinie nicht immer weiter, da sie selber begrenzt ist. Angesichts der vielen Möglichkeiten, die die recyclinggerechte Produktgestaltung bietet, ist es schwierig alle Gesichtspunkte in einer Richtlinie festzuhalten.¹⁷

3. Gestaltungsinstrumente

Für die Gestaltung von Produkten benötigt der Produktdesigner Instrumente. Um die an das Produkt geforderten Leistungen und die verlangte Qualität zu erfüllen, muss ihm bewusst sein, welche Instrumente vorliegen, denn diese erbringen wiederum selber Leistungen und sollten zusammen so kombiniert werden, wie es wirtschaftlich am sinnvollsten ist. Hierbei werden die Gestaltungsinstrumente in elementare und komplexe unterteilt. Zu den elementaren Gestaltungsinstrumenten gehören die Werkstoffauswahl und die Form. Als komplexes Gestaltungsinstrument zählt die Konstruktion.¹⁸

3.1 Werkstoffauswahl

Angesichts der großen Anzahl der existierenden Stoffe, ist es schwer eine Übersicht über diese zu gewinnen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit erfolgt eine Einteilung der Stoffe in vier Gruppen: Metalle, Glas und Keramik, Polymere und Composites. Diese vier Werkstoffgruppen haben jeweils unterschiedliche Vor- und Nachteile (vgl. Abbildung 1). Die Auswahl der Werkstoffe ist für die Leistung eines Produktes essentiell und elementarer Bestandteil der Produktgestaltung. Jeder Stoff erfüllt gewisse Leistungen. Die Eigenschaften eines Stoffes, wie z.B. Steifheit, Bruchverhalten, Härte, Festigkeit und Dauerfestigkeit zählen zu den mechanischen Leistungen.

[...]

¹ Vgl. Martens, H./Goldmann, D. (2015), S. 533.

² Vgl. Conrad, K. (2013), S. 307.

³ Martens, H./Goldmann, D. (2015), S. 533.

⁴ Vgl. Kahmeyer, M./Rupprecht, R. (1996), S. 11.

⁵ Vgl. Martens, H./Goldmann, D. (2015), S. 534.

⁶ Vgl. Hornbogen, E./Bode, R./Donner, P. (1993), S. 61.

⁷ Vgl. Keller, E. (1977), S. 19.

⁸ Vgl. Martens, H./Goldmann, D. (2015), S. 534.

⁹ Vgl. Herrmann, A./Huber, F. (2013), S. 1.

¹⁰ Friedel, A. (1999), S. 24.

¹¹ Vgl. Koppelmann, U. (1997), S. 190.

¹² Vgl. Naefe, P. (2012), S. 124.

¹³ Vgl. Hopfenbeck, W./Jasch, C. (1995), S. 57.

¹⁴ Vgl. Martens, H./Goldmann, D. (2015), S. 541.

¹⁵ Vgl. Hopfenbeck, W./Jasch, C. (1995), S. 127.

¹⁶ Vgl. Verein Deutscher Ingenieure (2002), o. S. (abrufbar unter: https://www.vdi.de/uploads/tx_vdirili/pdf/9276187.pdf, Zugriffsdatum: 09.04.2017).

¹⁷ Vgl. Behrendt, S. et al. (1995), S. 60f.

¹⁸ Vgl. Koppelmann, U. (1997), S. 322ff.