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Plastik und anderes Verpackungsmaterial macht j\u00e4hrlich fast 30 Prozent des Gesamtm\u00fclls in den Vereinigten Staaten aus – 3D-Drucktechnologien bringen Alternativen zu Einwegplastik auf den Markt. (Bild: Magda Ehlers\/Pexels)<\/p><\/div>\n
Wie wird nachhaltige Verpackung definiert?<\/h3>\n
Der Begriff „nachhaltig“ hat sich zu einem Marketing-Schlagwort entwickelt, mit dem die Unternehmen den Verbrauchern signalisieren wollen, dass das Produkt mit diesem Etikett nicht „umweltsch\u00e4dlich“ ist. Manchmal, aber nicht oft, beziehen die Unternehmen auch „soziale Verantwortung“ in den Begriff der Nachhaltigkeit mit ein – wobei soziale Verantwortung auch faire L\u00f6hne und menschenw\u00fcrdige Arbeitsbedingungen umfasst. In unserer Analyse zu nachhaltigen Verpackungen werden wir uns auf die Produktionsmethoden (z. B. Spritzgie\u00dfen, Binder-Jetting usw.), die Ger\u00e4te (z. B. ExOne M-Flex, 3D Systems ProJet) und Materialien (z. B. biobasierte Harze, Holzzellstoff) fokussieren. Abgesehen von Marketingbegriffen und Verbraucherpr\u00e4ferenzen gibt es auch Drittorganisationen, die 3D-gedruckte Verpackungen \u00fcberpr\u00fcfen und zertifizieren. Die Toly Group, die 3D-gedruckte High-End-Verpackungen f\u00fcr Luxuskosmetikmarken herstellt, nimmt die Dienste mehrerer Beh\u00f6rden im Bereich der Nachhaltigkeit in Anspruch, darunter ISO 14001 (Zertifizierung von Umweltmanagementsystemen), CDP (Carbon Disclosure Project, das die CO2-Emissionen und CO2-\u00c4quivalente verschiedener Unternehmen vergleicht), ISCC (Analyse der Lieferkette nachhaltiger Materialien) und Ecovadis (soziale Verantwortung von Unternehmen einschlie\u00dflich Umweltfragen).<\/p>
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Die Nielsen-Verbraucherforschung hat ergeben, dass 73 Prozent der Millennials bereit sind, mehr f\u00fcr nachhaltige Produkte zu bezahlen – 66 Prozent der Verbraucher insgesamt. (Bild: Krizjohn Rosales \/ Pexels)<\/p><\/div>\n
Wenn man sich zun\u00e4chst die Frage stellt, ob es f\u00fcr Unternehmen rentabel ist in nachhaltige Verpackungen zu investieren, dann scheint einer der st\u00e4rksten Faktoren das Verbraucherverhalten und die Kaufentscheidungen zu sein. In einer Umfrage unter 550 Verbrauchern gaben 53 Prozent der Teilnehmer an, dass Produkte mit Etiketten, die auf eine „umweltfreundliche“ Verpackung hinweisen, ihnen helfen, ein Produkt als nachhaltig zu klassifizieren – neben Etiketten wie „pestizidfrei“ oder „biologisch“. Au\u00dferdem seien laut einer Verbraucherumfrage von Nielsen 73 Prozent der Millennials bereit, mehr f\u00fcr nachhaltige Produkte zu bezahlen (und 66 Prozent der Verbraucher insgesamt). Auf Grundlage dieser Zahlen wird erkennbar, warum Unternehmen bereitwillig in nachhaltige Verpackungen investieren. „Unsere Kunden bitten uns regelm\u00e4\u00dfig um ein umweltfreundlicheres Verpackungsdesign. Hier kommt der 3D-Druck ins Spiel. Er erm\u00f6glicht es uns, Prototypen mit d\u00fcnneren oder hohlen Teilen oder leichteren Materialien zu testen und sicherzustellen, dass die Verpackung immer noch die Premiumqualit\u00e4t des Produkts im Inneren widerspiegelt“,<\/em> erkl\u00e4rt James A. Kingswell, Innovation Manager bei der Toly Group.<\/p>\n Eine Studie der Michigan Technological University ergab, dass f\u00fcr den 3D-Druck eines Artikels 41 bis 64 Prozent weniger Energie<\/strong> verbraucht wird als f\u00fcr die Herstellung in \u00dcbersee und den anschlie\u00dfenden Versand. Au\u00dferdem kann selbst die kleinste Reduzierung des ben\u00f6tigten Verpackungsmaterials zu erheblichen Kosteneinsparungen f\u00fcr Unternehmen f\u00fchren. Mit der 3D-Drucktechnologie k\u00f6nnen Unternehmen die Menge an Kunststoffen in Verpackungsdesigns reduzieren, ohne die Produktqualit\u00e4t zu beeintr\u00e4chtigen. Solche Erkenntnisse sind wahrscheinlich der Grund daf\u00fcr, dass Unternehmen wie L’Or\u00e9al, UPS und FedEx in eigene 3D-Druckanlagen investieren. Wie bei verschiedenen 3D-Druckanwendungen in anderen Branchen sind Kosteneinsparungen und k\u00fcrzere Produktionszeiten einige der wichtigsten Vorteile des 3D-Drucks zur Herstellung von Verpackungen. Die Eigenschaft der Nachhaltigkeit der Verpackungen tr\u00e4gt zudem zur Marktf\u00e4higkeit bei, insbesondere wenn bestimmte Verbrauchergruppen angesprochen werden sollen. Au\u00dferdem k\u00f6nnen Unternehmen so ihren Nachhaltigkeitsversprechen gerecht werden.<\/p>\n Zus\u00e4tzlich zu den \u00f6kologischen Vorteilen von 3D-gedruckten Verpackungen bieten die Designfreiheit und die Skalierbarkeit den Unternehmen die M\u00f6glichkeit, Prototypen zu entwerfen, bevor teure Materialien zur Produktion verschwendet werden m\u00fcssen. Die Verfahren erm\u00f6glichen es Marken au\u00dferdem, Kunden personalisierte Verpackungen anzubieten – entweder durch die Auswahl verschiedener Designoptionen oder mit einem vollst\u00e4ndig individuellen Design.<\/strong> Marchesini beispielsweise ist ein 1974 gegr\u00fcndetes italienisches Unternehmen, das eine breite Palette von Verpackungen f\u00fcr verschiedene Branchen herstellt, darunter pharmazeutische, kosmetische und Lebensmittelverpackungen. Das Unternehmen z\u00e4hlt zu den gr\u00f6\u00dften europ\u00e4ischen Kunden des globalen Marktf\u00fchrers der additiven Fertigung Stratasys.<\/p>\n Marchesini hat mehrere FDM<\/a>– und PolyJet-Drucker von Stratasys in Betrieb genommen, darunter f\u00fcnf F270-Systeme, vier Fortus 450mc, einen gro\u00dfen Fortus 900mc sowie zwei PolyJet-Multimaterial-3D-Drucker. „Die Herstellung komplexer, kundenspezifischer Teile mit traditionellen Fertigungsmethoden hat sich als \u00e4u\u00dferst kostspielig und zeitaufw\u00e4ndig erwiesen, was den wachsenden Anforderungen der heutigen Verpackungsindustrie nicht mehr gerecht wird“<\/em>, erkl\u00e4rt Mirko Fortunati, Koordinator f\u00fcr mechanische Werkst\u00e4tten bei der Marchesini Group. „Die additive Fertigung von Stratasys hat es uns erm\u00f6glicht, diese Probleme zu \u00fcberwinden und ein ma\u00dfgeschneidertes Produktionsmodell einzuf\u00fchren. Mit dieser On-Demand-Produktionsm\u00f6glichkeit k\u00f6nnen unsere Ingenieure die Vorteile einer gr\u00f6\u00dferen Designfreiheit nutzen, die der 3D-Druck erm\u00f6glicht, wodurch die Marchesini Group in die Lage versetzt wird, qualitativ hochwertigere Ergebnisse zu erzielen“,<\/em> erkl\u00e4rt Fortunati weiter.<\/p>\n Quadpack, Hersteller von Verpackungsl\u00f6sungen f\u00fcr Kosmetikprodukte, nutzt die 3D-Drucker der J-Serie von Stratasys f\u00fcr seine Vollfarb- und Multimaterialfunktionen. (Bildnachweis: Stratasys)<\/p><\/div>\n Dar\u00fcber hinaus ist die dezentrale Fertigung ein wesentlicher Vorteil der Technologie, wie auch w\u00e4hrend der COVID-19-Pandemie<\/a> bewiesen werden konnte, als die globale Lieferketten unterbrochen und der Versand eingestellt werden musste. Durch den Einsatz von 3D-Drucktechnologien konnten Unternehmen ihre Produktionsstandorte schnell verlagern, weil f\u00fcr die Herstellung lediglich digitale Dateien ben\u00f6tigt werden, die anschlie\u00dfend vor Ort gedruckt werden k\u00f6nnen. Die digitalen Dateien erm\u00f6glichen auch die Fertigung von 3D-gedruckten Verpackungen auf Abruf. So ist es beispielsweise m\u00f6glich, Verpackungen auf Basis der exakten Bestellmenge zu drucken und so den Abfall und die Menge an Verpackungen zu reduzieren, die sonst auf einer Deponie landen w\u00fcrden. Dar\u00fcber hinaus profitieren zeitkritische Verkaufsanl\u00e4sse wie kulturelle Ereignisse von den On-Demand Verpackungen, da das Risiko einer \u00dcberproduktion signifikant verringert wird.<\/p>\n L’\u00d2r\u00e9al setzt HP’s Multi Jet Fusion und Biomimetik ein, um das Volumen der 3D-gedruckten Verpackungen zu reduzieren. (Bild: HP)<\/p><\/div>\n Nat\u00fcrlich sind 3D-gedruckte Verpackungen nicht die einzige Methode nachhaltige Verpackungen zu produzieren. Es gibt auch viele Hybridverfahren, die sich als vielversprechend erwiesen haben. So ist beispielsweise das Spritzgie\u00dfen, das es seit dem 19. Jahrhundert gibt, ein etabliertes traditionelles Herstellungsverfahren, das h\u00e4ufig neben dem 3D-Druck auf innovative Weise eingesetzt wird. Dar\u00fcber hinaus f\u00f6rdert der 3D-Druck die Nachhaltigkeit in diesem Sektor, da das Spritzgie\u00dfen von der Materialwissenschaft profitiert, die bei 3D-Technologien zum Einsatz kommt. Diese Kombination ist wirtschaftlich, da das Spritzgie\u00dfen die Fertigung gro\u00dfer Serien erlaubt, w\u00e4hrend der 3D-Druck aufgrund der Kosten und Materialien auf kleine bis mittlere Chargen beschr\u00e4nkt ist. Wie der Name schon sagt, ist f\u00fcr das Spritzgie\u00dfen eine Form erforderlich, und die Herstellung einer solchen kann zu einem ziemlich teuren Unterfangen werden. Abgesehen davon, dass die Formfindung wesentlich mehr Zeit in Anspruch nimmt. Aus diesem Grund kann anstelle einer herk\u00f6mmlichen Metallform eine 3D-gedruckte Form mithilfe von FDM, dem Lasersintern oder der Stereolithografie hergestellt werden. Durch den Einsatz dieser 3D-Drucktechnologien werden die Kosten erheblich gesenkt, und die Unternehmen verringern das Risiko von Verz\u00f6gerungen in der Produktion. In Bezug auf das Design er\u00f6ffnet der 3D-Druck die M\u00f6glichkeit, komplexere Formen zu erstellen, was dank der Kombination der beiden Fertigungsmethoden die M\u00f6glichkeit f\u00fcr optimierte, nachhaltige Teile er\u00f6ffnet.<\/p>\n Eine weitere M\u00f6glichkeit, wie die Hybridisierung des 3D-Drucks f\u00fcr nachhaltigere Verpackungen genutzt werden kann, ist die Herstellung spezieller Werkzeuge. Der schwedische Hersteller Celwise AB nutzt zum Beispiel die Metall Binder-Jetting-Technologie von ExOne<\/a>, um mit detaillierten Metallwerkzeugen erneuerbare und biologisch abbaubare Lebensmittelbeh\u00e4lter und -verpackungen herzustellen. Um diese patentierten Verpackungen von Celwise herzustellen, bietet die Maschine drei Arten von Werkzeug – Formen, Transferieren und Pressen.\u00a0 Celwise berichtet, dass dieses Verfahren umweltfreundlichere Produkte bietet und gleichzeitig die Herstellungskosten um 50 % reduziert.<\/strong> „Unsere patentierte Technologie liefert ein recycelbares, erneuerbares und biologisch abbaubares Produkt, das schneller und kosteng\u00fcnstiger hergestellt werden kann im Vergleich zu herk\u00f6mmlichen Technologien. Fortschrittliche Fertigungsverfahren, die sich auf 3D-gedruckte Werkzeuge von ExOne st\u00fctzen, sind ein wichtiger Teil unseres Prozesses“,<\/em> erkl\u00e4rt David Pierce, Erfinder und Mitinhaber von Celwise.<\/p>\n Die Verpackungsmethode von Celwise verwendet ein Faserprodukt als Einweg-Kunststoffalternative. Die Form kann mit Hilfe der additiven Fertigung wie der Binder-Jetting-Technologie<\/a> von ExOne hergestellt werden. Es wird erwartet, dass sich das Verfahren auf dem Markt weiter durchsetzen wird, da Celwise die umweltfreundliche Verpackungsl\u00f6sung bereits an internationale Unternehmen aus der Lebensmittel- und Getr\u00e4nkeindustrie sowie der Kosmetik- und Elektronikbranche verkaufen konnte. Dieses Beispiel zeigt, dass nachhaltige, 3D-gedruckte Verpackungen zwar auf dem Vormarsch sind, die Technologie aber auch f\u00fcr die indirekte Herstellung nachhaltigerer Verpackungen zum Einsatz kommt.<\/p>\n Nachhaltige Verpackungsprodukte von Celwise, hergestellt mit der Binder-Jetting-Technologie von ExOne. (Bild: ExOne)<\/p><\/div>\n Eine wichtige Rolle f\u00fcr nachhaltige Verpackungen spielen die verwendeten Materialien. Bis vor kurzem wurden f\u00fcr den 3D-Druck haupts\u00e4chlich biologisch nicht abbaubare Materialien wie Kunststoffe verwendet, die aus umweltsch\u00e4dlichen fossilen Brennstoffen hergestellt werden. Innovationen bei Kunststoffen und neue Kunststoffalternativen erm\u00f6glichen es jedoch, Abf\u00e4lle zu einem Bruchteil der Kosten in wertvolle Produkte zu drucken. Biologisch abbaubare Kunststoffe, die aus nat\u00fcrlichen Materialien wie Mais<\/a> oder Rohrzucker hergestellt werden, werden f\u00fcr Lebensmittelverpackungen, Einwegbecher und T\u00fcten verwendet. Kompostierbare und biologisch abbaubare Materialien tragen dazu bei, die Abfallmenge, die auf M\u00fclldeponien landet, und die Verschmutzung unserer Meere durch Plastik zu verringern. Kompostierbare Verpackungen sind insofern wertvoller, als sie im Gegensatz zu biologisch abbaubaren Verpackungen, die sich in nat\u00fcrliche Bestandteile aufl\u00f6sen, bei ordnungsgem\u00e4\u00dfer Entsorgung zu N\u00e4hrstoffen f\u00fcr den Boden werden k\u00f6nnen. Daher tragen kompostierbare Materialien auch zur Verbesserung der Umwelt bei, was bei biologisch abbaubaren Materialien nicht immer der Fall ist.<\/p>\n Alle Kunststoffe werden schlie\u00dflich von Mikroben in der Umwelt abgebaut, wobei CO2 und Biomasse entstehen. Einige Kunststoffe ben\u00f6tigen daf\u00fcr jedoch Tausende von Jahren. Die Industrie k\u00e4mpft deshalb vehement gegen diesen langsamen Abbauzyklus an, indem umweltfreundliche Materialien, wie beispielsweise aus dem Meer gesammelte Kunststoffe und Biokunststoffe gesammelt oder kompostierbare bzw. biologisch abbaubaren Kunststoffe verwendet werden. Eine neuere materialwissenschaftliche Errungenschaft im 3D-Druck ist das Bluesint PA12<\/a> von Materialise. Bei diesem mit dem Lasersintern kompatiblen Material handelt es sich um ein zu 100 % recyceltes Pulver mit \u00e4hnlichen mechanischen Eigenschaften zum herk\u00f6mmlichen PA 12 (auch bekannt als Nylon 12). Innovationen im 3D-Druck haben die Materialwissenschaft<\/a> in den letzten Jahren stark vorangetrieben, vor allem wenn es um nachhaltige Materialien geht. Dies ist ein weiteres Beispiel daf\u00fcr ist, wie die Technologie zur Entwicklung nachhaltiger Verpackungen beitr\u00e4gt.<\/p>\nVorteile von 3D-gedruckten Verpackungen<\/h3>\n
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Spritzguss und hybride 3D-Drucktechniken<\/h3>\n
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Materialwissenschaft und Simulation<\/h3>\n