Nachhaltige Kunststoffverpackungen: KI unterstützt Design und Produktion

Kunststoffverpackungen aus recyceltem Material? Ja, aber bitte möglichst hochwertig – und wieder recycelbar! Das stellt Hersteller vor große Herausforderungen, denn der Einsatz von Rezyklaten führt heute noch oft zum Downcycling. Ein Schlüssel für nachhaltigere Kunststoffverpackungen liegt in der Digitalisierung. Hier setzt auch das Projekt KIOptiPack an.

Im Interview mit dem K-MAG spricht Mauritius Schmitz über die Anforderungen an Kunststoffverpackungen, darüber, welche Rolle das Design für die Nachhaltigkeit einer Verpackung spielt und inwiefern Künstliche Intelligenz dabei unterstützen kann.

Um Kunststoffverpackungen nachhaltiger zu machen, muss die gesamte Wertschöpfungskette betrachtet werden. Mit dem Anfang der Wertschöpfungskette – Design und Produktion – beschäftigt sich das Innovationslabor KIOptiPack. Welche Rolle spielt bereits das Design für die Nachhaltigkeit?

Mauritius Schmitz: Das Produktdesign spielt eine zentrale Rolle für die Nachhaltigkeit von Produkten. Es definiert die Materialauswahl und den Materialverbrauch und somit die in den Kreislauf eingebrachten Arten und Mengen an Kunststoff. Zudem beeinflusst es die Funktionalität und Eignung für die (Verpackungs-) Anwendung, die Herstellbarkeit und Produktionseffizienz. Darüber hinaus kann das Produktdesign die Sortier-, Trenn- und Aufbereitungsprozesse – die wiederum die Qualität der entstehenden Rezyklate bestimmen – erleichtern oder erschweren.

Wie kann KI beim Design von Verpackungen genutzt werden?

Schmitz: Auch bei einem nachhaltigen Verpackungsdesign, müssen möglichst die gleichen, oder zumindest vergleichbare, Erwartungen und Kriterien an das Produkt erfüllt werden, mit denen Produkte aus Neuware aufwarten.

Hier geht es um Produktfunktionalitäten, wie Barriereeigenschaften, Reinheit und mechanische Stabilität und um subjektive Anforderungen aus Sicht des Konsumenten wie Optik, Geruch und Sicherheit. Aber auch die Verarbeitbarkeit des gewählten Materials im Produktionsprozess spielt eine entscheidende Rolle für ein funktionierendes Produktdesign, hiermit meine ich zum Beispiel die thermischen oder Fließeigenschaften des Kunststoffs.

Um diese komplexen und vielfältigen Einflüsse zu berücksichtigen und optimierbar zu machen, kann KI eingesetzt werden. Durch den Einsatz von KI können diese Einflüsse quantifizierbar gemacht werden und Verpackungsdesigner eine bessere Vorstellung davon bekommen, wie ihre Designs die verschiedenen Anforderungen beeinflussen und wie sie diese optimieren können, um eine nachhaltigere Verpackung zu schaffen.

Wie kann KI die Produktion nachhaltiger machen?

Schmitz: Um die Qualität von Kunststoffverpackungen zu verbessern, wird KI in verschiedenen Produktionsphasen eingesetzt. Bereits beim Materialeingang wird die KI genutzt, um Materialschwankungen zu erkennen und die Verarbeitung entsprechend anzupassen. Während der Verarbeitungsprozesse kommen Neuronale Netze zum Einsatz, um Prozessmodelle zu erzeugen und zu optimieren. So können Zusammenhänge zwischen Materialcharakteristika, Prozesseinstellungen und Qualität erkannt und für eine korrekte Prozessanpassung genutzt werden. Im Projekt KIOptiPack werden speziell die Verarbeitungsverfahren Compoundierung, Flachfolien- sowie Blasfolienextrusion, Spritzgießen und Thermoformen betrachtet.

Warum ist die Zusammenarbeit mit der Industrie – also Unternehmen wie Brückner, Reifenhäuser oder Pöppelmann – wichtig?

Schmitz: Die Zusammenarbeit mit der Industrie ist von großer Bedeutung und hängt in ihrer Art und Weise von der jeweiligen Branche ab. Ein wichtiger Aspekt, der bislang nicht hinreichend berücksichtigt wurde, ist jedoch die Betrachtung der gesamten Wertschöpfungskette. Um eine optimale Nachhaltigkeit zu erreichen, müssen Veränderungen an verschiedenen Stellen der Wertschöpfungskette vorgenommen werden, die möglicherweise nicht aus eigener Motivation initiiert und umgesetzt werden. Zum Beispiel ließe sich die Verantwortung für nachhaltigere Kunststoffverpackungen allein auf den Sammel- und Aufbereitungsprozess verlagern, was jedoch mit Sicherheit nicht die effektivste und nachhaltigste Vorgehensweise wäre. Stattdessen ist es sinnvoller, Anreize und Geschäftsmodelle zu entwickeln, die eine globale Veränderung und eine Lastverteilung entlang der gesamten Wertschöpfungskette ermöglichen.

Um dieses Ziel zu erreichen, ist es unerlässlich, die Hürden und Potenziale für jeden Teilnehmer zu erfassen. Durch den KI-Anwendungshub, der Projektpartner von etablierten Maschinenherstellern bis hin zu Technologie-Start-ups sowie von Forschungsinstituten bis hin zu Nahrungsmittelherstellern und -distributeuren vernetzt, entsteht die Möglichkeit eines direkten Austauschs entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Nur auf diese Weise können wir ein gemeinsames Verständnis der Potenziale einer nachhaltigeren Verpackungsproduktion erreichen.

Wie sieht die Kunststoffverpackung der Zukunft aus?

Schmitz: Wie die Verpackung aussehen wird, lässt sich schwer vorhersagen, denn auch nachhaltige Kunststoffverpackungen werden wir in Zukunft in großer Vielfalt entwickeln und produzieren können. Diese werden individuell auf den konkreten Anwendungsfall zugeschnitten sein, sodass sie minimalen Materialverbrauch und gleichzeitig zuverlässige Eignung für die Anwendung erfüllen. Gleichzeitig werden diese Verpackungen aber dem Kreislauf mit möglichst minimalen Verlusten wieder zuzufügen sein.

Was man jedoch schon jetzt mit großer Sicherheit vorhersagen kann, ist, dass die Verpackung der Zukunft einen maximalen Anteil an Rezyklat beinhalten wird. Sie wird möglichst nur einen Polymertyp enthalten und beim Sortieren und Trennen einfacher zu handhaben sein. Um die Sortierprozesse zu verbessern und zu vereinfachen, werden digitale – und bestenfalls globale – Produkt- bzw. Materialpässe, die gerade durch verschiedene Initiativen entwickelt werden, eine entscheidende Rolle spielen. Und in diesem Bereich werden wir nicht ohne Digitalisierung und Methoden der Künstlichen Intelligenz vorankommen.

Das Verbundprojekt KIOptiPack mit rund 40 Projektpartnern wird im Rahmen der Initiative "Forschung für die Nachhaltigkeit" (FONA) durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und bildet zusammen mit dem Partnerlabor K3I-Cycling den gesamten Kreislauf für Kunststoffverpackungen ab. Mehr Informationen hier.