Die industrielle Produktion steht vor einer fundamentalen Transformation. Allein die deutsche Industrie und Gesellschaft verbrauchen jährlich fast dreimal so viele Ressourcen, wie sich regenerieren können. Diese lineare Wirtschaftsweise führt nicht nur zu massiven ökologischen Belastungen, sondern auch zu einer Abhängigkeit von volatilen Primärrohstoffmärkten.
Das Leitbild der Kreislaufwirtschaft zielt darauf ab, diese Stoffströme zu schließen. Während das Remanufacturing in der Luftfahrt und Automobilindustrie bereits etabliert ist, stellen geringe Materialwerte, hohe Personalkosten und eine enorme Variantenvielfalt den Maschinenbau sowie die Elektroindustrie vor große wirtschaftliche Hürden.
Hier setzt der Innovationsverbund Circular Product Creation (CIRCE) an. Ziel ist es, die Wiederverwendung gebrauchter Komponenten durch die Integration von Remanufacturing und Produktgenerationsentwicklung für die betroffenen Branchen zu fördern.
Integration statt Isolation
Der Kern des Projekts CIRCE liegt in der Abkehr vom klassischen Remanufacturing, bei dem die Teile meist nur in identische Produkte wiedereingebaut werden. Stattdessen werden Komponenten mithilfe digitaler Produktinstanzen in vollständig neue Produktgenerationen integriert. Dieser Ansatz erfordert eine enge Verzahnung von Rückgewinnungsprozessen, Reverse Engineering, der Produktentwicklung sowie der Produktionsplanung und -steuerung.
Mit Unsicherheit in der Logistik umgehen
Aus Sicht des Instituts für Fabrikanlagen und Logistik (IFA) der Leibniz Universität Hannover liegt die zentrale Herausforderung in der inhärenten Unsicherheit zirkulärer Lieferketten. Im Gegensatz zur klassischen Produktion, in der zumeist lineare Materialströme vorzufinden sind, entstehen durch das Remanufacturing rückwärtsgerichtete Ströme.
Die Ströme von Altprodukten sind durch Unsicherheiten bezüglich des Zeitpunkts des Eintreffens, der Menge sowie die Spezifikationen der Komponenten (Geometrie, qualitativer Zustand) gekennzeichnet. Die Unsicherheit gilt es in der Produktionsplanung und -steuerung zu berücksichtigen, weswegen sowohl neue Planungs-, Steuerungs- sowie Gestaltungsmethoden als auch die Verknüpfung mit der Demontage, Inspektion und der Entwicklung essenziell sind.
In Bezug auf die Prognose des Rückführverhaltens und der datenbasierten Prozessplanung und -steuerung hat sich das IFA im Verlauf des Projekts CIRCE verschiedene Ziele gesetzt.
Die Forschungsschwerpunkte umfassen dabei folgende Aspekte:
Eine Prognose des Rückführverhaltens von Altprodukten sowie Komponenten, die für das Remanufacturing theoretisch geeignet sind, bildet eine entscheidende Grundlage für die Auslegung von Produktionssystemen und der Produktionsplanung. Deswegen ist ein Ziel des IFA, ein zuverlässiges Prognosemodell für das Rückführverhalten von Komponenten zu erarbeiten. Es soll unter Einbezug von Demontage-, Inspektions-, Markt- sowie Rückführdaten vorhersagen, wann welche Komponentenmengen in welchem Zustand zur Verfügung stehen werden.
Darüber hinaus gilt es zu prüfen, ob sich eine gebrauchte Komponente unter Berücksichtigung von Verfügbarkeit, Aufbereitungsaufwand und funktionalem Mehrwert für die Reintegration in eine neue Produktgeneration eignet. Diese Entscheidung bedarf einer multikriteriellen Eignungsbewertung, welche die verfügbaren Informationen aus den Bereichen Demontage, Inspektion, Entwicklung sowie Produktionsplanung aggregiert und eine transparente Entscheidungsfindung ermöglicht. Ein geeigneter Ansatz hierfür sind Cluster-Analysen, die unter Einbezug der historischen Produktionsdaten und der erzeugten Daten anderer Arbeitspakete aus CIRCE zu diesem Zweck vom IFA genutzt werden.
Das letzte Teilziel des IFA stellt eine mit der Produktentwicklung und Demontage verzahnte Planung der Demontage und des weiteren Produktionsprozesses dar, weil die hohe notwendige Mengen-, Geometrie- und Produktvariantenflexibilität für das Remanufacturing neue Methoden für die Produktionsplanung erfordern. Deswegen entwickeln Forschende am IFA neue Ansätze, um die zirkuläre Produktion sowohl logistisch als auch nachhaltig optimiert zu realisieren.
Synergien im Innovationsverbund
Die Forschungsarbeit des IFA ist dabei kein isolierter Prozess – ebenso wenig wie das Remanufacuting in Kombination mit der Produktgenerationsentwicklung.
Das angestrebte Rückführprognosemodell nutzt beispielsweise Inspektionsdaten (Zustände, Defekte), die vom Institute for Software and Systems Engineering der TU Clausthal generiert werden, und liefert einen Teil der Planungsgrundlage für die automatisierte Demontage durch das Institut für Montagetechnik und Industrierobotik der Leibniz Universität Hannover.
Die Ergebnisse fließen direkt in die Arbeitspakete für eine Produktentwicklung am Institut für Maschinenwesen der TU Clausthal und einen nonplanaren 3D-Druck am Institut für Konstruktion und angewandten Maschinenbau der Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften ein, um zum Beispiel notwendige Schnittstellenbauteile für die Reintegration in neue Produktgenerationen zu fertigen.
Mehrwert für die Industrie
Für Unternehmen, insbesondere für kleine und mittlere Unternehmen (KMU), bietet das Forschungsprojekt CIRCE eine Vielzahl signifikanter Vorteile. Der industrielle Nutzen des Vorhabens liegt zum Beispiel in der Verknüpfung von KI-gestützten Rückführprognosen und dem kreislauforientiertem Produktdesign, um den Übergang zur Circular Economy bedarfsgerecht und gleichzeitig zukunftsfähig zu gestalten. Somit profitieren produzierende Unternehmen durch eine signifikante Senkung des Primärressourcenbedarfs bei simultaner Reduktion des Abfallaufkommens und einer Erhöhung des Sekundärrohstoffanteils.
Über die ökologische Nachhaltigkeit hinaus mindert dieser Ansatz die strategische Abhängigkeit von kritischen Rohstofflieferanten und stärkt die Resilienz industrieller Wertschöpfungsketten. Durch den gezielten Transfer der Ergebnisse in Workshops werden Ansätze zur Verbesserung der ökologischen sowie ökonomischen Nachhaltigkeit demonstriert und praxisnahe Lösungen zur Umsetzung regulatorischer Anforderungen des Green Deals bereitgestellt.
Somit leistet das IFA im Rahmen von CIRCE einen entscheidenden Beitrag zur niedersächsischen RIS3-Strategie, indem es die Produktionsplanung und -steuerung stärker mit dem Remanufacturing verknüpft, um eine wettbewerbsfähige Kreislaufwirtschaft im Maschinenbau sowie der Elektroindustrie zu realisieren.
