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Nachhaltigkeit
Produkte herstellen
Inhalt
Zusammenfassung
- Wir betrachten drei Ansätze zur Ressourcenschonung bei der Herstellung von Produkten: 1. Reduzierung des Materialeinsatzes, 2. Reduzierung von Prozessen und 3. Wiederverwendung von Abfallmaterialien.
- Durch optimale Formgebung, Mehrteilintegration und Produktminiaturisierung kann der Materialeinsatz reduziert werden. Hier stellen wir Beispiele für optimale Formvorschläge unter Einsatz der Kunststoff-CAE-Technologie vor.
- Durch die Minimierung von Herstellungsprozessen wie Montage und Lackierung können Arbeitskosten (Personalkosten), Verarbeitungsenergie und Materialabfälle reduziert werden. Wir stellen Materialien vor, die leicht zu montierende Formen ermöglichen, und Produkte, die den Lackierprozess verkürzen können.
- Während des Herstellungsprozesses anfallende Harzabfälle werden zerkleinert und ein bestimmter Prozentsatz wird dem Produkt zur Wiederverwendung beigemischt (Nachmahlen), wodurch die Gesamtmenge des verwendeten Harzes reduziert wird. Wir werden Materialien mit hervorragender thermischer Stabilität und Nachmahlbarkeit einführen.
Reduzierung des Ressourcenverbrauchs bei der Produktherstellung
Eine Strategie zur umweltverträglicheren Herstellung von Produkten besteht einfach darin, den Ressourcenverbrauch zu reduzieren. Dies ist keine neue Idee – tatsächlich wurde sie vor einiger Zeit als erste von drei Aufforderungen in dem weit verbreiteten Slogan „Reduzieren, wiederverwenden, recyceln“ verankert. Im Folgenden diskutieren wir drei Strategien zur Reduzierung des Ressourcenverbrauchs bei der Produktherstellung.
Drei Strategien zur Reduzierung des Ressourcenverbrauchs:
- Reduzierung des Materialeinsatzes: Reduzierung des Produktgewichts durch Formoptimierung und Miniaturisierung, Reduzierung des Materialeinsatzes durch weniger Teile
- Prozessreduzierung: Reduzierung der Teileanzahl bzw. Wegfall von Montageprozessen durch montagefreundliche Formen, Wegfall von Lackierprozessen durch Verwendung optisch ansprechender Materialien
- Recycling von Altmaterialien: Durch die Wiederverwendung von Altmaterialien, die bislang als Mahlgut entsorgt worden wären, wird der Materialeinsatz reduziert.
Reduzierung des Materialvolumens und Einsparung von Verarbeitungsschritten
Die Produkte, die wir in unserem täglichen Leben verwenden – von Haushaltsgeräten bis hin zu Autos – bestehen aus vielen Komponenten und werden in komplizierten Prozessen hergestellt, die viele Schritte umfassen, vom Formen der Komponenten bis hin zur Produktmontage und Lackierung.
Durch die Reduzierung der Anzahl der Verarbeitungsschritte auf das absolute Minimum können Arbeitskosten (Personalkosten) gesenkt, Energie in Nachbearbeitungsschritten eingespart und Verluste von Ausgangsstoffen minimiert werden. Weitere Möglichkeiten zur Reduzierung des Ressourcenverbrauchs bei der Herstellung sind die Verwendung kleinerer Harzmengen bei der Herstellung jedes Produkts und die Einsparung von Farben.
(1) Reduzierung des Materialeinsatzes
A. Reduzierung der verwendeten Harzmenge durch Reduzierung der Teileanzahl und Optimierung von Form und Gewicht
Durch die Optimierung der Produktform kann die Anzahl der Komponenten verringert werden – beispielsweise durch die Verwendung monolithischer, integrierter Architekturen anstelle von Baugruppen mit mehreren Komponenten – und die Größe und das Gewicht der Produkte können reduziert werden. Computergestütztes Engineering (CAE) für Harzmaterialien ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Bestimmung optimaler Formen für Produktdesigns.
B. Verwendung lackfreier Materialien
Durch die Wahl von Materialien mit wetterbeständigen und guten Oberflächen oder Materialien, die eine metallische Farbgebung ohne Lackierung ermöglichen, können Lackierschritte im Produktionsprozess eingespart und der Einsatz von Beschichtungsmaterialien und Lösungsmitteln reduziert werden. Dies trägt auch dazu bei, das Ziel von Punkt (2) unten zu erreichen, indem Verarbeitungsschritte eingespart werden.
(2) Einsparung von Verarbeitungsschritten
A. Einfach zu montierendes Design
Im Vergleich zu Metallen bieten technische Kunststoffe eine deutlich höhere Formflexibilität, sodass Produktdesigns für eine maximale Montagefreundlichkeit optimiert werden können. Produkte, die leicht zu montieren sind, sparen nicht nur Montageschritte in Produktionsprozessen, sondern können auch die Verwendung bestimmter Schrauben und Bolzen überflüssig machen und so zur Reduzierung des Ressourcenverbrauchs beitragen.
B. Verwendung von Werkstoffen mit guter Umformbarkeit, die keine Nachbearbeitung erfordern
Einige Produktherstellungsprozesse erfordern sekundäre Verarbeitungsschritte, wie z. B. das Entfernen von Graten oder das Glühen, um Verformungen oder Spannungen zu beheben. Die Wahl von Materialien, die weniger anfällig für Verformungen oder Gratbildung sind, kann solche Nachbearbeitungsschritte überflüssig machen.
Wiederverwendung von Materialabfällen
Die Abfallmaterialien wie Angüsse und Angusskanäle, die während des Herstellungsprozesses mit Harz entstehen, werden vom Hersteller zerkleinert und als Formmaterial recycelt. Regeneratmaterial kann grundsätzlich in einem bestimmten Verhältnis zu neuem Neumaterial hinzugefügt werden, solange die verschiedenen Leistungseigenschaften nicht beeinträchtigt werden.
Die effektive Nutzung von Mahlgut – Material, das andernfalls weggeworfen würde – kann dazu beitragen, die Gesamtmenge an Harz zu reduzieren, die zur Herstellung eines bestimmten Produkts benötigt wird.
Empfohlene Lösungen von Asahi Kasei (1)
Reduzierung der Bauteilanzahl und Einsparung von Prozessschritten
Mit SunForce™ modifizierte PPE-Schaumperlen bieten mehr Flexibilität bei der Produktgestaltung
SunForce™ kombiniert die hervorragenden Eigenschaften, die nur Schaumstoffe bieten können – geringes Gewicht und Wärmedämmung – mit Flammschutz (UL-94 V-0), Dimensionsstabilität und der Fähigkeit, Produkte mit dünnen Wänden zu formen. SunForce™ ist ein Schaumstoff, der eine Funktionalität bietet, die weit über die Fähigkeiten herkömmlicher Schaumstoffe hinausgeht. Dieses Material weist äußerst geringe Dimensionsabweichungen bei der Verarbeitung auf und bietet Formbarkeitseigenschaften, die denen typischer Spritzgussmaterialien nahezu entsprechen, was es ideal für den sorgenfreien Einsatz in Anwendungen wie Strukturkarosserien und Gerätechassis macht, bei denen eine hohe Dimensionsstabilität unerlässlich ist.
SunForce™ zeichnet sich auch durch die einzigartigen Stärken von PSA-Harzen aus – insbesondere niedrige Ausdehnungskoeffizienten im Vergleich zu anderen Harzmaterialien – und bleibt relativ unbeeinflusst von Temperaturschwankungen.
SunForce™ wird hergestellt, indem Perlen in Werkzeuge gefüllt und Dampf angewendet wird, um ein Aufquellen dieser Perlen zu bewirken, was zu einer thermischen Bindung führt. Im Gegensatz zum Spritzgussverfahren, bei dem Harz bei hoher Temperatur und hohem Druck in Werkzeuge gespritzt wird, führt das SunForce™-Verfahren daher dazu, dass es selbst bei Produkten mit räumlich unterschiedlicher Wandstärke nur zu minimaler Verformung und wenigen Einfallstellen in den fertigen Produkten kommt. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, Formbeschränkungen wie einheitliche Wandstärkenanforderungen festzulegen, was eine größere Flexibilität bei der Produktgestaltung bietet.
Durch die Ausnutzung dieser Flexibilität – beispielsweise durch die Herstellung von Formprodukten, deren Formen an Substrate oder Kabelbäume angepasst sind – können in manchen Fällen bei der Montage von Komponentenpaketen Schrauben oder Bolzen zur Befestigung der Komponenten an ihrem Platz eingespart und so die Produktionsprozesse vereinfacht werden.
Metallicfarbene POM-Werkstoffe sparen Lackierschritte und senken so Kosten und Umweltbelastung
Polyacetal (POM) zeichnet sich durch hervorragende mechanische Eigenschaften, Gleitverhalten sowie chemische Beständigkeit aus und wird für viele Strukturbauteile und Innenkomponenten verwendet.
Die TENAC™-C ZM413 POM-Harze von Asahi Kasei sind metallisch gefärbte POM-Copolymere mit physikalischen Eigenschaften und Wetterbeständigkeit, die denen von wetterbeständigen Standardtypen entsprechen. Dieses Material erfüllt außerdem verschiedene OEM-Vorschriften für die Automobilindustrie, die die Emission flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) für Materialien beschränken, die für den Einsatz in Fahrzeuginnenräumen vorgesehen sind.
Typische Methoden, um Produkten eine metallische Oberfläche zu verleihen, sind das Lackieren oder Plattieren der Oberfläche des Basisharzes. Solche Ansätze sind jedoch aufgrund der vielen erforderlichen Verarbeitungsschritte kostspielig – und haben den zusätzlichen Nachteil, dass sie durch die Verwendung von Lösungsmitteln in verschiedenen Phasen die Umwelt belasten. Wir empfehlen die Wahl von TENAC™-C ZM413, das diese Nachteile vermeiden kann, indem Lackierschritte aus Ihrem Produktionsprozess weggelassen werden.
- Details zum metallicfarbenen POM-Harz TENAC™-C ZM413 verfügbar Hier.
Gewichtsreduzierung durch den Ersatz von Metall durch Kunststoff und Optimierung des Teiledesigns durch den Einsatz von Harz-CAE
Asahi Kasei verfügt mit der „Plastics CAE Technology“ über eine auf Harze spezialisierte Analysetechnologie.
Nachfolgend sehen Sie ein Beispiel für die Verwendung der CAE-Technologie für Kunststoffe.
Das Originalprodukt (ganz links im Bild) wurde aus Stahl gefertigt und besteht aus mehreren Komponenten. Wir verwendeten
CAE-Technologie zur Durchführung einer Topologieoptimierungsanalyse (Zwischenbilder), die zu einem endgültigen Designvorschlag führte, bei dem das Produkt aus Harz statt aus Stahl hergestellt wurde (Bilder rechts) und eine Gewichtsreduzierung von über 80 % im Vergleich zum ursprünglichen Design erreichte.
In diesem Fall konnte der Designer durch die Nutzung der Harz-CAE-Technologie von Asahi Kasei die effizienteste Materialverteilung innerhalb des vorgegebenen Designraums ermitteln, vorbehaltlich der strukturellen Einschränkungen und der Belastungs- und Randbedingungen, die für die Szenarien relevant sind, in denen das Produkt voraussichtlich verwendet werden würde.
Darüber hinaus sind die durch die Topologieoptimierungsanalyse erzeugten Formen außerordentlich flexibel. In der hier dargestellten Fallstudie führte diese Freiheit – zusammen mit dem Können und der Erfahrung des Ingenieurs, der die Analyse durchführte – zu einem innovativen Spritzgussdesign mit einer völlig neuartigen Form, die sich von allen bestehenden Designs unterschied und tatsächlich über die Grenzen aller bestehenden Designparadigmen hinausging. Weitere Untersuchungen ergaben überflüssige Bereiche des vorgeschlagenen Designs. Durch das Einsparen dieser Bereiche wurde die Form des Produkts weiter vereinfacht, wodurch letztendlich die Anzahl der Komponenten verringert und das Gewicht des Endprodukts drastisch reduziert werden konnte.
Fallstudie: Ersetzen von Metallscharnieren durch hochfestes, ansprechendes Polyamid, das weder lackiert noch beschichtet werden muss
Scharniere, die hauptsächlich für Türen verwendet werden, müssen hochfeste Bauteile sein und werden daher normalerweise aus Druckgussmetall hergestellt. Um attraktive Scharniere herzustellen, ist jedoch in der Regel eine Verzierung durch Beschichtung erforderlich – ein Prozess, bei dem Abwässer entstehen, die Metallionen enthalten, deren Entsorgung eine erhebliche Umweltbelastung darstellt.
Die Polyamidharze der LEONA™ SG-Serie von Asahi Kasei erfüllen nicht nur alle Leistungsanforderungen, die an Scharniere gestellt werden, sondern liefern auch attraktive Endprodukte ohne Lackierung oder Beschichtung, wodurch das Gesamtgewicht gesenkt und der Abfall reduziert wird, um die Umweltbelastung des Herstellungsprozesses zu verringern.
Fallstudie: Chassis für Luftdruckregler. Der Ersatz von Metall durch hochfestes Polyamid spart Nachbearbeitungsschritte und führt zu leichteren Produkten, was den transportbezogenen Energieverbrauch senkt.
Luftdruckregler sind Schlüsselkomponenten, die an vielen Produktionsstätten installiert sind. Da die Fahrgestellkörper, in denen diese Instrumente untergebracht sind, eine hohe Festigkeit aufweisen müssen, werden sie in der Regel aus Metall gefertigt. Auf der anderen Seite, da die Regler Netzwerke von feinkörnigen Strömungswegen zur Steuerung des Luftstroms enthalten, verbraucht ihre Herstellung erhebliche Mengen an Energie und bringt hohe Materialverluste mit sich. Durch die Umstellung von Metallen auf die hochfeste LEONA™ S-Serie von Asahi Kasei konnten Nachbearbeitungsschritte eingespart und die Produktionsprozesse optimiert werden.
Da Luftdruckregler an Kunden in der ganzen Welt versandt werden, konnte durch die Reduzierung des Produktgewichts, die durch den Ersatz von Metallen durch Harze erreicht wurde, der transportbezogene Energieverbrauch deutlich gesenkt werden.
Empfohlene Lösungen von Asahi Kasei (2)
Wiederverwendung von Produktabfällen
XYRON™ modifiziertes PPE-Harz eignet sich hervorragend für Regenerat
XYRON™ modifizierte PPE-Harze sind Materialien, die eine hervorragende thermische Stabilität und Hydrolysebeständigkeit bieten und bei der Verwendung als Mahlgut eine minimale Verschlechterung der physikalischen Eigenschaften aufweisen, wodurch sie leichter wiederverwendet werden können als andere Harze. Dieser Werkstoff weist zudem das geringste spezifische Gewicht aller technischen Kunststoffe auf. Sein geringes Gewicht trägt dazu bei, das bei der Herstellung verwendete Materialvolumen zu reduzieren.
Durch Ausnutzung dieser Eigenschaften und Verwendung modifizierter PPE-Harze zur Herstellung von Produkten – und durch Wiederverwendung von Angüssen, Läufern und anderen Abfällen aus der Fertigung – können Sie den Gesamtmaterialverbrauch senken und die Umweltbelastung minimieren.
Hinweis: In Fällen, in denen das äußere Erscheinungsbild von Produkten wichtig ist, kann eine Verunreinigung durch die Verwendung wiederverwendeter Materialien zu Mängeln führen, die zu unansehnlichen Produkten führen. Um diese Situation zu vermeiden, muss der Anteil wiederverwendeter Materialien sorgfältig optimiert werden. Als grobe Richtlinie empfehlen wir, Anteile von 20 % oder weniger in Betracht zu ziehen.
Wir möchten mit Ihnen über die Nachhaltigkeitslösungen von Asahi Kasei sprechen. Bitte kontaktieren Sie uns, um Fragen zu stellen und Muster anzufordern. Wir freuen uns auf Ihre Kontaktaufnahme!
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