Untersuchungen zur recyclinggerechten Produktgestaltung von PC- Tastaturen vor dem Hintergrund neuer europäischer und deutscher Gesetzgebung
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Untersuchungen zur recyclinggerechten Produktgestaltung von PC-
Tastaturen vor dem Hintergrund neuer europäischer und deutscher
Gesetzgebung
Frank Zuber, Wolfgang Röhrer, Burkhard Berninger
1. Einleitung
Angesichts der Zunahme des Gebrauchs elektronischer Geräte und deren rasanter
technologischer Entwicklung stellt sich immer dringender die Frage nach deren Entsor-
gung.
Dies und ein sich nach und nach entwickelndes Umweltbewusstsein bewirkt auch ein
Umdenken in der Abfallpolitik der Gesetzgeber. Um das Recycling von Elektronikaltgerä-
ten europaweit zu fördern, wurden im Februar 2003 auf europäischer Ebene zwei Richt-
linien veröffentlicht, die hohe Anforderungen an die Umweltverträglichkeit von elektri-
schen und elektronischen Geräten stellen. Diese Richtlinien werden in Kürze in Deutsch-
land in Form des Elektro- und Elektronikgerätegesetzes umgesetzt. Verlangt wird unter
anderem eine Rücknahme und umweltgerechte Verwertung von elektrischen und elekt-
ronischen Geräten. Der Einsatz bestimmter Schadstoffe wie z.B. Blei wird verboten.
Vor diesem Hintergrund hat die Fachhochschule Amberg-Weiden in einem Kooperati-
onsprojekt mit der Firma Cherry GmbH in Auerbach eine der dort gefertigten PC-
Tastaturen der neuesten Serie, die „CyMotion Master Solar", hinsichtlich dieser Kriterien
untersucht.
Die Tastatur wurde systematisch in ihre Bestandteile zerlegt und deren Aufbau mit Hilfe
einer Expertensoftware ausgewertet. Dabei wurden unter anderem die vorhandenen Ma-
terialien und deren Anordnung sowie die in der Tastatur eingesetzten Verbindungstech-
niken erfasst. Aus diesen Daten wurden wichtige Kennwerte wie Demontagezeiten, Re-
cyclingquoten und Kosten bzw. Erlöse für die recycelten Materialien ermittelt. Weiterhin
wurden chemische Analysen auf Schadstoffe in der Tastatur durchgeführt. Der vorlie-
gende Text faßt die wichtigsten Ergebnisse zusammen [1].
2. Rechtliche Ausgangssituation
Am 13. Februar 2003 wurden die Richtlinie 2002/96/EG des europäischen Parlaments
und des Rates vom 27. Januar 2003 über Elektro- und Elektronik-Altgeräte (WEEE) und
die Richtlinie 2002/95/EG des europäischen Parlaments und des Rates vom 27. Januar
2003 zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und
Elektronikgeräten (RoHS) im Amtsblatt der Europäischen Union veröffentlicht und sind
somit in der EU in Kraft getreten.
Beide Richtlinien müssen bis August 2005 in nationales Recht umgesetzt werden. Zu
diesem Zweck existiert der Entwurf eines deutschen Elektro- und Elektronikgerätegeset-
zes, mit dessen Umsetzung in Kürze zu rechnen ist.
2.1. Richtlinie über Elektro- und Elektronik-Altgeräte (WEEE) [2]
Ziel der Richtlinie ist es, Abfälle aus Elektro- und Elektronikgeräten zu reduzieren bzw.
zu vermeiden und deren schadlose Verwertung zu fördern. Der Geltungsbereich der
Richtlinie umfasst die in Tabelle 1 aufgeführten 10 Gerätekategorien.
Es sind Systeme für eine vom Hausmüll getrennte Sammlung, Rücknahme, Behandlung
und Verwertung einzurichten, die ab dem 13. August 2005 u.a. eine kostenlose Rück-
nahme von Altgeräten aus privaten Haushalten sicherstellen.
Die Behandlung umfasst mindestens die Entfernung aller Flüssigkeiten und den Ausbau
bestimmter Bauteile, wie z.B. Batterien, Leiterplatten größer 10 cm² oder Kunststoffe, die
bromierte Flammschutzmittel enthalten.
Die Richtlinie legt für jede der genannten Gerätekategorien Recyclingquoten (stoffliche
Verwertung) und Verwertungsquoten (stoffliche und energetische Verwertung) fest, die
bis zum 31. Dezember 2006 erfüllt werden müssen (siehe Tabelle 1).
WEEE-Gerätekategorie Verwertungsquote Recyclingquote
[% des durchschnittlichen [% des durchschnittlichen
Gerätegewichts] Gerätegewichts]
1. Haushaltsgroßgeräte 80 75
2. Haushaltskleingeräte 70 50
3. IT- u. Telekommunikation 75 65
4. Unterhaltungselektronik 75 65
5. Beleuchtungskörper 70 50
6. Elektrische Werkzeuge 70 50
7. Spielzeug, Sport, Freizeit 70 50
8. Medizinische Geräte k.A. k.A.
9. Überwachungs- und Kontrollinstrumente 70 50
10. Automatische Ausgabegeräte 80 75
Gasentladungslampen k.A. 80
Tabelle 1: Verwertungsquoten gemäß WEEE-Richtlinie
Die Hersteller müssen für jeden Typ neuer Elektro- und Elektronikgeräte innerhalb eines
Jahres nach Inverkehrbringen alle Informationen, die für die Behandlung, Verwertung,
Wiederverwendung und das Recycling wichtig sind, für den Entsorger bereitstellen. Es
ist z.B. mitzuteilen, welche verschiedenen Werkstoffe das Gerät enthält und an welcher
Stelle sich gefährliche Stoffe befinden.
Abbildung 1: Symbol zur Kennzeichnung der Getrenntsammlung nach WEEE [2]
Ebenfalls müssen Geräte, die nach dem 13. August 2005 in Verkehr gebracht werden,
Kennzeichnungen enthalten, die unter anderem den Hersteller ausweisen und auf die
Erfordernis einer getrennten Sammlung von Elektro- und Elektronikaltgeräten hinweisen
Als Basissymbol für die getrennte Sammlung soll eine durchgestrichene Mülltonne die-
nen (siehe Abbildung 1). Zur genauen Symbolgestaltung gibt es derzeit Normungsvor-
haben.
Grundsätzlich tragen die Hersteller bzw. Importeure die Kosten für die Einsammlung,
Behandlung und umweltgerechte Beseitigung der Altgeräte, die ab den Übergabestellen
der Kommunen bereitgestellt werden. Dabei existieren praxisrelevante Unterschiede
zwischen Geräten, die vor, und solchen, die nach Inkrafttreten der Regelungen in Ver-
kehr gebracht wurden.
2.2. Richtlinie zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährli-
cher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten (RoHS) [3]
Durch die RoHS werden einheitliche Rechtsvorschriften in der EU hinsichtlich Stoffver-
boten in Elektrogeräten verfolgt, und somit ein Beitrag zur umweltgerechten Verwertung
und Beseitigung sowie zum Gesundheitsschutz geleistet.
Der Geltungsbereich der Richtlinie umfasst die WEEE-Gerätekategorien 1-7 und 10.
Ausgenommen sind bisher noch die beiden WEEE-Kategorien 8 und 9 („Medizinische
Geräte“ und „Überwachungs- und Kontrollinstrumente“).
In der RoHS wird festgelegt, dass ab dem 1. Juli 2006 neu in Verkehr gebrachte Elektro-
und Elektronikgeräte die folgenden Stoffe bis auf wenige Ausnahmen nicht mehr enthal-
ten dürfen:
Blei
Cadmium
Quecksilber
sechswertiges Chrom
polybromiertes Biphenyl (PBB)
polybromierten Diphenylether (PBDE)
Abbildung 2 zeigt zusammenfassend einen Überblick über den vorgesehenen zeitlichen
Ablauf der Umsetzung der beiden Richtlinien. Es wird deutlich, daß der Nachweis über
das Einhalten der Verwertungsquoten bis Ende 2006 derzeit bei den Herstellern eine
hohe Priorität besitzen muß.
Abbildung 2: Zeitplan für die Umsetzung der WEEE- und der RoHS-Richtlinie [4]
3. Recyclinggerechte Produktgestaltung
Um ein erfolgreiches späteres Recycling im Sinne der WEEE-Richtlinie sicherzustellen,
wird eine recyclinggerechte Produktgestaltung zunehmend von großer Wichtigkeit.
Recyclinggerechte Produktgestaltung bedeutet, dass eine wirtschaftliche Demontage,
eine eventuelle Aufarbeitung und die stoffliche Verwertung nach dem Gebrauchs-
zeitraum, von Anfang an, also bereits bei der Entwicklung und Konstruktion, sicherge-
stellt sind.
Für die recyclinggerechte Produktgestaltung gibt es eine Vielzahl von Regeln. Die VDI
Richtlinie 2243 [5] liefert z.B. einen ausführlichen Regelkatalog mit Erläuterungen.
Tabelle 2 zeigt eine Übersicht der wichtigsten Regeln aus den drei Bereichen Baustruk-
tur, Verbindungstechnik und Werkstoffauswahl.Baustruktur Verbindungstechnik Werkstoffauswahl
Bauteilintegration Anzahl der Verbin- Werkstofflich verwertba-
Bauteilestandardisie- dungselemente reduzie- re Materialien einsetzen
rung ren Werkstoffvielfalt verrin-
Einheitliche Trennrich- Leicht lösbare oder zer- gern
tung störbare Verbindungs- Verträgliche Werkstoff-
Sandwichbauweise an- elemente verwenden kombinationen wählen
streben Standardisierung der Verbundwerkstoffe ver-
Werkstoffe und wieder- Verbindungstechnik meiden
verwendbare Baugrup- Einsatz von Standard- Kennzeichnung der
pen leicht separierbar werkzeugen Bauteile bezüglich
anordnen Verbindungsstellen gut Werkstoff
Bauteilaufarbeitung und einsehbar und zugäng- Recyclat vor Neuware
Wiedermontage erleich- lich gestalten verwenden
tern Verbindungselemente
alterungsbeständig und
korrosionsfrei gestalten
Tabelle 2: Übersicht der wichtigsten Regeln zur
recyclinggerechtenProduktgestaltung
4. Untersuchungsmethode
4.1. Demontage der Tastatur
Abbildung 3: Untersuchte Tastatur Cherry CyMotion Master Solar
Die Tastatur CyMotion Master Solar der Firma Cherry wurde schrittweise in alle Einzel-
teile demontiert. Die recyclinggerechte Produktgestaltung wurde mit Hilfe des EDV- Ex-pertentools ATROiD1 erfaßt und bewertet. Abbildung 3 zeigt die Tastatur vor der Demon-
tage, Abbildung 4 und Abbildung 5 die vollständig zerlegte Tastatur.
Abbildung 4: Obere Hälfte der vollständig demontierten Tastatur
1
Das Expertensystem ATROID wurde inzwischen durch das weiterentwickelte Nachfolgeprodukt
ProdTect abgelöstAbbildung 5: Untere Hälfte der vollständig demontierten Tastatur 4.2. Erfassung und Auswertung mit Bewertungstool ATROiD Das Programm bewertet die gesamte Zusammensetzung und den Aufbau eines Produk- tes hinsichtlich der Recyclingeignung. Dazu sind eine Vielzahl von Daten bezüglich Ver- bindungstechnik, Material, Recyclingkosten bzw. –erlöse, usw., in einer Datenbank hin- terlegt, die jederzeit vom Benutzer aktualisiert werden können. Produktmodell: Ausgangspunkt für die Beurteilung ist die Abbildung des Produktes in einem Produktmodell (siehe Abbildung 6). Für jedes demontierte Teil sind bauteil- und verbindungsspezifische Daten zu erfassen. Die Bauteilinformation umfasst z.B. Abmaße, Zugänglichkeit, Gewicht und Material des Bauteils. Die Informationen über die Verbin- dungstechnik beinhalten neben den verbundenen Bauteilen die Art der Verbindungs- technik und das zu verwendende Demontagewerkzeug. Daneben werden noch Vor- rangsbeziehungen für die Demontagereihenfolge definiert.
Abbildung 6: ATROID-Eingabemaske für das Produktmodell Mit Hilfe dieser eingegebenen Informationen erhält das Programm einen Überblick, wie das Produkt aufgebaut ist, welche Bauteile übereinander liegen und in welcher Reihen- folge am besten zu demontieren ist. Berechnung: Das Programm berechnet auf Grundlage einer hinterlegten Datenbasis die wichtigsten Recyclingkenngrößen. Dies sind zum einen Demontagezeit und Recyc- lingkosten /-erlöse. Die Demontagezeit ergibt sich auf Grundlage von Form, Gewicht, Zugänglichkeit, Demontagewerkzeug, Verbindungstechnik, usw., des jeweiligen Bau- teils. Die Recyclingkosten bzw. –erlöse setzen sich zusammen aus Demontagekosten, Verwertungskosten (für Materialien, die keinen Erlös erzielen) und Wertstofferlösen (aus dem Verkauf von Bauteilen zur Wiederverwendung, oder für Materialien, die recycelt werden können). Daneben werden noch die Recyclingquote (Anteil der stofflich recycelt werden kann) und, basierend auf 29 Kriterien ähnlich den Leitlinien zur recyclinggerechten Produkt- gestaltung, das Recyclingpotential des Produktes bestimmt. Auswertung: Die zuvor berechneten Ergebnisse werden nochmals beurteilt und neu ausgegeben. Für jedes Bauteil wird anhand eines Farbcodes dargestellt, inwieweit es recyclinggerecht gestaltet ist. So lassen sich die Schwachstellen eines Produktes erken- nen.
Weitere Funktionen: ATROiD ermöglicht, die Ergebnisse verschiedener Produkte mit- einander zu vergleichen. Des weiteren sind eine Vielzahl von Regeln bezüglich einer demontage- und recyclinggerechten Produktgestaltung in Form eines ausführlichen Maßnahmenkatalogs hinterlegt, der für jedes Bauteil bzw. jede Schwachstelle aufgeru- fen werden kann. Neben der Erfassung und Bewertung der Produktgestaltung wurden chemische Analy- sen hinsichtlich der in der RoHS-Richtlinie verbotenen Stoffe durchgeführt. 5. Ergebnisse 5.1. Recyclinggerechte Produktgestaltung Aufgrund der vielfach verwendeten Schnappverbindungen sind die meisten Bauteile schnell und einfach zu demontieren, d.h. sie sind recyclinggerecht konstruiert. Negativ fallen die bei den Gummifüßen und beim Antennenkabel verwendeten Klebeverbindun- gen auf, die hinsichtlich einer recyclinggerechten Produktgestaltung nicht zu den bevor- zugten Verbindungstechniken zählen. Ein Optimierungspotential besteht bei der Verbindungstechnik. Es kommen 2 verschie- dene Arten von Schrauben, eine davon in 3 Größen zum Einsatz. Dies erfordert bei der Demontage allein 4 verschiedene Schraubendreher, wodurch Demontagezeit und – kosten erhöht werden. Grundsätzlich sind die Bauteile aber nur mit einer Art von Verbindungstechnik und auch nur mit jeweils einem Nachbarbauteil verbunden. Dies ist im Sinne einer recyclingge- rechten Produktgestaltung. Die Tastatur verfügt über eine weitgehend einheitliche Trennrichtung, wodurch sie bei einer Demontage nicht unnötig oft gewendet werden muss. Dies spart Zeit und Kosten, und ist als recyclinggerecht einzustufen. Sehr positiv ist, dass nahezu alle untersuchten Bauteile keine der sechs Verbotsstoffe enthalten. In der bestückten Leiterplatte ist aufgrund des Lötprozesses noch Blei enthal- ten. Hauptsächlich werden in der Tastatur Kunststoffe verwendet, die stofflich verwertbar sind. Somit sind über 93% der Tastatur recycelbar. Auch wird auf Verbundwerkstoffe verzichtet. Dies alles ist im Sinne einer recyclinggerechten Produktgestaltung. Hinsichtlich des Bereiches Material fällt auf, das in der Tastatur kein als solches erkenn- bares Recyclat zum Einsatz kommt. Auch werden insgesamt relativ viele verschiedene Kunststoffsorten verwendet, die untereinander nur bedingt verträglich sind. 5.2. Erfüllung der rechtlichen Anforderungen Richtlinie über Elektro- und Elektronik-Altgeräte: Die Tastatur fällt unter die Katego- rie 3) „IT- und Telekommunikationsgeräte“. Somit muss sie eine Verwertungsquote
(stoffliche und energetische Verwertung) von 75% und eine Recyclingquote (stoffliche Verwertung) von 65% des durchschnittlichen Gerätegewichts erfüllen können. Grundsätzlich sind 93% der Tastatur stofflich recycelbar. Der Rest kann, bis auf die So- larzelle, energetisch verwertet werden. Damit sind die Anforderungen erfüllt. Die laut der Richtlinie geforderte Herstellerkennzeichnung ist vorhanden. Das Gerät ist aber noch hinsichtlich Neugeräte und getrennter Sammlung zu kennzeichnen. Beim späteren Recycling der Produkte , müssen Bauteile entfernt werden. Hierunter fal- len die Batterien und Leiterplatte der Tastatur. Richtlinie zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten: Die WEEE-Gerätekategorie 3) „IT- und Telekommuni- kationsgeräte“ fällt auch in den Geltungsbereich der RoHS-Richtlinie. Um festzustellen, inwieweit die Tastatur der RoHS-Richtlinie entspricht, wurde nahezu alle Materialien der Tastatur einer chemischen und instrumentellen Analytik unterzogen. Als Ergebnis zeigte sich, dass die Tastatur den Regelungen der RoHS weitgehend ent- spricht. Keines der untersuchten Materialien enthielt die verbotenen Schwermetalle Blei, Cadmium, Quecksilber und Chrom(VI). Auch die verbotenen bromorganischen Verbin- dungen PBB und PBDE werden nicht verwendet. Bei den untersuchten Materialien wur- de überhaupt keine Art von bromorganischem Flammschutz festgestellt. Aufgrund des Lötprozesse mit bleihaltigem Lot entspricht die bestückte Leiterplatte mit ihren Bauteilen noch nicht den Forderungen der RoHS. Hier ist eine Umstellung auf blei- freies Lot und bleifreie Bauteile erforderlich und bereits in Planung. 6. Fazit und Ausblick Bei der Entwicklung der Tastatur CyMotion Master Solar ist bereits ein großer Teil der Leitlinien zur recyclinggerechten Produktgestaltung berücksichtigt worden. Die zu erwar- tenden gesetzlichen Anforderungen aus den beiden EU-Richtlinien und des in Vorberei- tung befindlichen deutschen Elektro- und Elektronikgerätegesetzes werden bereits in ei- nem sehr hohen Maß erfüllt. Basierend auf den in diesem Artikel dargestellten Ergebnissen konnten eine Reihe von Optimierungspotenzialen aufgezeigt werden, die zu weiteren Verbesserungen des Pro- duktes hinsichtlich der recyclinggerechten Produktgestaltung führen können. Die erarbeiteten Vorschläge betreffen sowohl Aspekte der Materialauswahl als auch konstruktive Gesichtspunkte. Die gemachten Anregungen gilt es nun im Projektan- schluss im Detail auf ihre technische Machbarkeit zu untersuchen und hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit zu prüfen. Die erzielten Ergebnisse sollen anschließend bei Neuent- wicklungen und Produktmodifikationen einfließen. Hauptaufgabe hierbei wird zunächst die Erfüllung der gesetzlichen Forderungen nach „Bleifreiheit“ des Produktes sein.
7. Quellenangaben
[1] Zuber, F.: Untersuchung einer CHERRY Tastatur hinsichtlich recyclinggerechter
Produktgestaltung vor dem Hintergrund neuer europäischer Gesetzgebung
Diplomarbeit an der Fachhochschule Amberg-Weiden, März 2004
[2] Richtlinie 2002/96/EG des europäischen Parlaments und des Rates vom 27. Januar
2003 über Elektro- und Elektronik-Altgeräte
[3] Richtlinie 2002/95/EG des europäischen Parlaments und des Rates vom 27. Januar
2003 zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro-
und Elektronikgeräten
[4] http://www.braunschweig.ihk.de/pdf/WEEE-RoHS.pdf
[5] VDI-Richtlinie 2243: Recyclingorientierte Produktentwicklung, Düsseldorf: VDI-Verlag
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