Produktdesign und Komponentenkreisläufe in der Circular Economy

Die verarbeitende Industrie in Niedersachsen trägt etwa 24 % zur Bruttowertschöpfung des Bundeslandes bei und stellt über eine halbe Million Arbeitsplätze. Die Transformation der industriellen Produktion hin zu einer Circular Economy ist unerlässlich, um Treibhausgasemissionen zu reduzieren und die Rohstoffabhängigkeit zu verringern. Hierzu ist die Entkopplung der wirtschaftlichen Wertschöpfung vom materiellen Ressourcenverbrauch und die absolute Reduktion der Stoffströme und ihrer Umweltwirkungen notwendig. Diese Transformation ist besonders drängend für mengenrelevante technische Produkte, aber auch für Investitionsgüter des Maschinen- und Anlagenbaus. Nationale und internationale Initiativen wie der europäische Green Deal unterstützen diesen Wandel. Die Digitalisierung ist dabei eine zentrale Treiberin und ermöglicht durch gezieltes Informationsmanagement über den gesamten Lebenszyklus die Optimierung von Produktionsprozessen und die Schaffung neuer zirkulärer Geschäftsmodelle.

Bis zu 80 % der Umweltwirkungen eines Produktes werden in der Entwicklungsphase festgelegt. Zur Reduzierung der Umweltwirkungen ist es erforderlich, bereits bei der Produktkonzipierung Lebenszyklen von Produkten und Komponenten zu planen. Zirkuläres Produktdesign zielt demnach darauf ab, Produkte derart zu konzipieren, dass das gesamte Produkt oder einzelne Komponenten mit geringem Aufwand wiederverwendet, repariert, aufgearbeitet, wiederaufbereitet, modernisiert oder recycelt werden können.

Ansätze sind zum Beispiel das Design für Produktintegrität und das Design für Recycling. Beim Design für Produktintegrität wird die Alterung (sog. Obsoleszenz) von Produkten beispielsweise durch Repair (Reparieren), (Re-)Use ((Wieder-)verwenden), Refurbish (Überarbeiten), Remanufacture (Wiederaufbereiten) oder Repurpose (Weiterverwenden) verhindert und damit die Lebensdauer verlängert. Das Design für Recycling zielt darauf ab, die Obsoleszenz auf Materialebene zu verhindern oder umzukehren.

Das Zukunftslabor Circular Economy entwickelt und testet digitale Methoden und Technologien für kreislauffähige und langlebige Produkte sowie die ressourceneffiziente Wieder- und Weiterverwendung von Komponenten durch gezielte Lebenszyklusplanung und –steuerung. Grundannahme ist hierbei, dass moderne Produkte zunehmend aus verschiedenartigen Komponenten mit stark unterschiedlichen Lebensdauern bestehen und nur durch eine komponentenspezifische Analyse und Bewertung von Zuständen und verbleibender Lebensdauer (Remaining Useful Lifetime) eine ressourceneffiziente Kreislaufführung möglich wird.

Für die Planung und Steuerung von Lebenszyklusoptionen (Repair, Refurbishment, Remanufacturing oder Repurpose) generieren die Wissenschaftler*innen mithilfe von Industrie 4.0 Technologien und Prognosemodellen Informationen über Komponentenzustände (z.B. Alterung, Verschleiß, Verschmutzung) und den Produktaufbau (Demontage, Reparatur). Diese Informationen sind Grundlage für die gezielte Weiternutzung von Komponenten.

Die Forschung umfasst die vorausschauende Gestaltung (Circular Product Design) und Lebenszyklusplanung (Lifecycle Management), die Wiederverwendung (Reengineering und Repair) mittels additiver Fertigung und das Remanufacturing (Demontage, Inspektion und Reinigung) genutzter Komponenten.

Folgende Wissenschaftler*innen wirken an dieser Forschung mit:

• Prof. Dr.-Ing. Christoph Herrmann (Technische Universität Braunschweig, Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik)
• Prof. Dr.-Ing. David Inkermann (Technische Universität Clausthal, Lehrstuhl für Integrierte Produktentwicklung)
• Prof. Dr.-Ing. Andreas Ligocki (Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften, Institut für Konstruktion und angewandten Maschinenbau)
• Dr.-Ing Alexandra Pehlken (OFFIS – Institut für Informatik, FuE-Bereich Produktion)
• Prof. Dr.-Ing. Annika Raatz (Leibniz Universität Hannover, Institut für Montagetechnik und Industrierobotik)
• Prof. Dr. Andreas Rausch (Technische Universität Clausthal, Institut für Software and Systems Engineering)
• Prof. Dr. Thomas Spengler (Technische Universität Braunschweig, Institut für Automobilwirtschaft und industrielle Produktion)
• Prof. Dr. Michael Thomas (Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik, Abteilung Grenzflächenchemie und adaptive Haftsysteme)