Kreislauffähige Gestaltung für nachhaltige Informations- und Kommunikationstechnik

Der Einsatz von Kunststoffen als Gehäuse- und Trägermaterial für IKT-Produkte ist seit vielen Jahren etabliert. Kunststoffe sind kostengünstig, leicht zu verarbeiten, langzeitstabil und lassen sich auf vielfältige Weise ästhetisch gestalten. Doch auf lange Sicht sind Kunststoffe ökologisch nicht nachhaltig und problematisch. Nicht nur die Herstellung aus fossilen Materialien ist klimaschädlich und versorgungskritisch, auch die geringe Recyclingfähigkeit stellt ein großes Abfallproblem für unsere Gesellschaft dar.

Die Substitution von Plastik als Gehäusewerkstoff durch den Einsatz von Aluminium wird damit begründet, dass selbst hochwertige Kunststoffe beim Recycling ihre technischen Eigenschaften verlieren und damit nur sehr begrenzt kreislauffähig sind (Downcycling). Obwohl technische Kunststoffe (0,8 - 1,6 €/kg) gegenüber Aluminium (1,8 - 2,7 €/kg) etwa nur ein Drittel kosten und auch der Carbon Footprint von Kunststoffen (1,9 - 5,5 kgCO2e/kg) gegenüber primärem Aluminium (6,8 - 13,5 kgCO2e/kg) geringer ist, würde sich durch die weitaus bessere Recyclingfähigkeit das Aluminiums bereits nach zwei Produktkreisläufen der ökologische Vorteil immer zugunsten des Aluminiums verschieben. Aluminium hat zudem positive technische Eigenschaften wie beispielsweise eine hohe mechanische Stabilität und Oberflächengüte, elektromagnetische Abschirmeigenschaften, eine sehr gute Beständigkeit gegenüber äußeren Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit, UV-Strahlung und Temperaturschwankungen. Zudem werden keine Flammschutzmittel benötigt. Die Abbildung gibt einen Überblick der langfristigen Vorteile von Aluminium als Gehäusewerkstoff für kleine IKT-Geräte.

Das deutsch-polnische Forschungsvorhaben ALU4CED (Aluminium based multifunctional housing for circular electronic devices) hat das übergeordnete Ziel, einen Betrag zur kreislauffähigen Gestaltung von Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) zu leisten. Im Rahmen des zweijährigen Vorhabens (10/2023 – 09/2025) werden neue Technologie- und Designkonzepte zum Einsatz von Aluminium als multifunktionaler Gehäusewerkstoff für kleine, passiv gekühlte IKT-Geräte wie 5G-Funkmodule und WLAN-Router entwickelt. Schwerpunkt der technischen Entwicklung ist die Anpassung einer existierenden Fertigungstechnologie auf Basis der Laserdirektstrukturierung (LDS), die bereits sehr erfolgreich für kunststoffbasierte mechatronische integrierte Bauelemente (MIDs) eingesetzt wird, zur Erzeugung von Leiterbahn- und Antennenstrukturen auf einem Aluminiumgehäuse. Bei dieser Prozessanpassung müssen eine Reihe technischer und gestalterischer Aspekte berücksichtigt werden, um ein robustes Wärmemanagement und elektromagnetische Verträglichkeit sicherzustellen. In diesem Zusammenhang werden unterschiedliche Materialkonzepte erforscht. Die Abbildung 1 zeigt eine existierende Implementierung der LDS-Technologie zur Schaffung von Leiterbahnen auf einem Kunststoffgehäuse inklusive bestückter passiver Bauelemente.

Das Projekt ALU4CED implementiert innovative Fertigungs- und Recyclingtechnologien in Kombination mit einem funktionalen Produktökodesign, um schlussendlich den Materialkreislauf auf Basis von Aluminium zu schließen und ohne die wertvolleren Materialien wie Gold, Palladium, Wolfram etc. der elektronischen Komponenten auf der Leiterplatte zu verlieren.

Das Ökodesign fokussiert auf ein kompaktes, materialsparendes und leicht zu fertigendes Gehäuse. Diese Materialeffizienz wird durch das stärker integrierte Wärmemanagement unterstützt. Schließlich werden noch Ansätze zur leichten Montage und Demontage der innenliegenden Leiterplatte erforscht.  Im Projekt wird eine Umweltpotenzialanalyse auf Basis einer lebenszyklusbezogenen Ökobilanz (Lifecycle Assessment, LCA) durchgeführt, um die Nachhaltigkeit des neuen Technologie- und Designkonzeptes zu quantifizieren.