4DS framework for sustainable production

A case study in Additive Manufacturing

Abstract

Die Verbesserung der Nachhaltigkeit in der industriellen Produktion erfordert eine ganzheitliche Integration ökologischer, ökonomischer, sozialer und technischer Indikatoren in unternehmerische Entscheidungsprozesse. Die Mehrzahl der in der Literatur vorgeschlagenen Nachhaltigkeitsrahmenwerke legt den Schwerpunkt auf die ökologische Leistungsfähigkeit, während die technische Machbarkeit und die wirtschaftliche Tragfähigkeit – die für die industrielle Umsetzung von zentraler Bedeutung sind – häufig unterrepräsentiert bleiben. Diese Studie stellt ein strukturiertes, vierdimensionales Nachhaltigkeitsrahmenwerk (4DS) vor, das technische, ökologische, ökonomische und soziale Dimensionen integriert, um fundierte Entscheidungsprozesse in industriellen Kontexten zu unterstützen. Das Rahmenwerk wird auf das mechanische Recycling von Polyamid 12 (PA12)-Abfällen angewendet, die beim automobilen Prototyping anfallen, sowie auf deren Wiederverwendung als Filament für das Materialextrusionsverfahren (MEX). Es werden mehrere Recyclingpfade konzipiert und miteinander verglichen, die sich hinsichtlich logistischer Konfiguration und Materialzusammensetzung unterscheiden. Recycelte PA12-Filamente, die aus unterschiedlichen Flocken-/Pulver-Verhältnissen hergestellt wurden, werden experimentell mittels Zugversuchen untersucht. Filamente, die ausschließlich aus gebrauchtem PA12-Pulver ohne Flockenanteil hergestellt wurden, zeigen im Allgemeinen ein stabileres mechanisches Verhalten sowie eine verbesserte Verarbeitbarkeit im Druckprozess im Vergleich zu Mischformulierungen aus Flocken und Pulver, die eine erhöhte Variabilität der mechanischen Eigenschaften aufweisen. Die experimentellen Ergebnisse werden in eine quantitative Nachhaltigkeitsbewertung sowie in eine multikriterielle Entscheidungsanalyse integriert, um unternehmensspezifische Prioritäten zu berücksichtigen. Die Ergebnisse zeigen, dass der geeignetste Recyclingpfad nicht zwangsläufig mit der kostengünstigsten oder ökologisch vorteilhaftesten Option übereinstimmt, wenn einzelne Nachhaltigkeitsdimensionen isoliert betrachtet werden. Insgesamt unterstreichen die Resultate die Bedeutung einer ausgewogenen, kontextspezifischen Nachhaltigkeitsbewertung, die experimentelle Materialleistungsdaten mit ökologischen, ökonomischen und sozialen Kriterien verknüpft, um industriell umsetzbare Recyclinglösungen zu identifizieren.