KIOptiPack: Kunststoffverpackungen mit Rezyklatanteil

Auf Kunststoffe können wir in unseren alltäglichen Leben kaum verzichten. Gerade Kunststoffverpackungen bieten besondere Eigenschaften hinsichtlich ihrer Schutzfunktion, Flexibilität und Haltbarkeit von Lebensmitteln und anderen empfindlichen Produkten. Der Einsatz von Rezyklaten ist vor allem in diesen Bereichen streng reguliert, wenn er auch zugleich Potenziale für eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft unserer Verpackungen bietet. Genau hier setzt der BMBF geförderte »KI-Anwendungshubs Kunststoffverpackungen« an, in dem insgesamt 51 Partner aus Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft in zwei Innovationslaboren zusammenarbeiten: KIOptiPack für Design und Produktion und K3I-Cycling für das werkstoffliche Recycling.

In beiden HUBs wird gemeinsam das Ziel verfolgt, künstliche Intelligenz (KI) als Gamechanger im Recycling und für die Verarbeitung von Rezyklat zu Verpackungen einzusetzen, um den technischen Herausforderungen und hohen Ansprüchen der Produktion von Verpackungen gerecht zu werden.

Der Einsatz von Rezyklaten im Design und in der Produktion von Kunststoffverpackungen ist besonders schwierig in Bezug auf die Qualität und Reinheit der Sekundärrohstoffe, wenn diese beispielsweise aus einer gemischten Sammlung über den gelben Sack kommen. Vorhersagen zu Verunreinigungen, die durch andere Stoffe entlang des Lebenszyklus‘ eines Materials entstehen und zu Veränderungen der Polymer- und Funktionseigenschaften der recycelten Materialien führen können, sind bisher kaum möglich. Dies führt zu Schwankungen in der Verarbeitung und Nutzung der Sekundärrohstoffe, was die Qualität und Effizienz im Produktionsprozess beeinträchtigt. Zudem ist es bisher nicht möglich, die rechtliche Konformität für Lebensmittel- und Verpackungssicherheit zu gewährleisten. Aufgrund dieser Herausforderungen werden Sekundärrohstoffe noch zu wenig eingesetzt, um Qualitätsverluste und Komplikationen zu vermeiden. Das Ziel des Innovationslabors KIOptiPack ist, KI-gestützte Werkzeuge für ein nachhaltiges Produktdesign und eine qualitätsgerechte Produktion von Kunststoffverpackungen mit hohem Rezyklatanteil bereitzustellen, zu validieren und schließlich in einen Anwendungs- und Datenraum zu demonstrieren. Meilensteine und Ziele des Projekts KIOptiPack sind:

• Aufbau eines Datenraumes und Bereitstellung einer Dateninfrastruktur
• Entwicklung neuer Analysewerkzeuge zur Reduktion und Filterung der Daten
• Vereinheitlichung der Datensemantik und Entwicklung einer Ontologie 
• Entwicklung neuer Prozessoptimierungsmodelle in der Materialverarbeitung
• Systemverknüpfung der Modelle und Entwicklung eines Datenhubs
• Durchgängige objektive und subjektive Nachhaltigkeitsbewertung mit Methoden der Ökobilanzierung
• Geschäftsmodell- und Ökosystementwicklung
   

UMSICHT unterstützt durch ganzheitliche Nachhaltigkeitsbewertungen

Neben den technischen Lösungen treibt Fraunhofer UMSICHT die Nachhaltigkeitsbewertung von Verpackungen innerhalb des Projektes voran. Um die KI-Anwendung erfolgreich in die Praxis transferieren zu können, dient die Nachhaltigkeitsbewertung als begleitende Methode zur Validierung der Prozesse hinsichtlich vorrangig ökologischer Kriterien wie z.B. die Reduzierung des Beitrags zum Klimawandel durch den Einsatz von Rezyklat im Vergleich zu Neuware. Die Forschenden untersuchen unter anderem die Korrelation zwischen den Umweltwirkung einer Verpackung und der Haltbarkeitsdauer von verpackten Lebensmitteln. Die Ergebnisse liefern Erkenntnisse zum ökologisch sinnvollen Einsatz von Verpackungen, insbesondere der Bezug zwischen ihrer Schutzfunktion und Verlängerung der Haltbarkeit einerseits und Lebensmittelverschwendung durch verdorbene Lebensmittel andererseitsWeiterhin untersucht das Projektteam Unsicherheiten in der Nachhaltigkeitsbewertung durch schwankende Prozessparameter in der Verarbeitung von Rezyklaten sowie den Einfluss durch Modellierungsentscheidungen wie z.B. die Wahl der Wirkungsabschätzungsmethode auf die ökologische Bewertung.

Ein weiterer Untersuchungsschwerpunkt innerhalb der Nachhaltigkeitsbewertung ist die wahrgenommene Nachhaltigkeit und Qualität von Verpackungen mit Rezyklatanteil durch den Kunden. Dieser Aspekt ist bisher oft vom Marketing gesteuert und wenig wissenschaftlich belegt, weshalb unter anderem einigen Unternehmen »Greenwashing« vorgeworfen wird. Klar ist aber auch: Nur wenn Endkonsument*innenVerpackungen auch als nachhaltig und qualitativ wahrnehmen, kann dies die Kaufentscheidung positiv beeinflussen. Die systematische Untersuchung von Zielkonflikten zwischen subjektiver und objektiv quantifizierbarer Nachhaltigkeit wird im Projekt systematisch geprüft, um »Greenwashing« durch eine irreführende Verpackung zu vermeiden.

Die Methoden und Modelle zur ganzheitlichen Nachhaltigkeitsbewertung sollen nicht nur Expert*innen zur Verfügung stehen, daher werden diese in ein anwendungsorientiertes Tool für Verpackungshersteller und – inverkehrbringer überführt und helfen diese während der Entwicklung und Verarbeitung von Verpackungen bei ihren Entscheidungen.

Institut für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V., Artificial Intelligence Center Hamburg (ARIC) e.V., Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Hochschule Schmalkalden (HSM), Hochschule Albstadt Sigmaringen (HSAS), Technische Universität Dresden, Universität des Saarlandes, Aixtrusion GmbH, Apheris AI GmbH, Carbon Minds GmbH, Deutsche Institut für Normung e. V., Dida Datenschmiede GmbH, Digimind GmbH, Ehrenmüller GmbH, Evonik Operations GmbHFoboha Germany GmbH, GreenDelta GmbH, HiPP-Werk Georg Hipp OHG, Hamburger Informatik Technologie-Center (HITeC) e.V., Institut cyclos-HTP GmbH, Infosim GmbH & Co. KG, Körber Pharma GmbH (ehem. Mediseal), A. Schulmann GmbH, Pacoon GmbH, Palaimon GmbH, Peerox GmbH, QuoData GmbH, Remondis SE & Co. KG, Reifenhäuser GmbH, RKW SE, Simcon kunststofftechnische Software GmbH, Südpack Verpackungen GmbH & Co. KG, Watttron GmbH