Wie 3D-gedruckte Verpackungen Nachhaltigkeitszielen und Verbraucherwünschen gerecht werden

Nachhaltige Verpackungen werden zunehmend zu einem eigenen Geschäftsbereich, für welchen immer häufiger auch die Vorteile des 3D-Drucks genutzt werden. Die Herstellung mit dem 3D-Druck ermöglicht es, Verpackungen digital zu entwerfen und auf umweltbewusste Materialien zu setzen. Das führt nicht nur zu hochwertigen Produkten, sondern unterstützt Unternehmen dabei ihre Nachhaltigkeitsziele zu erreichen. Es gibt dabei mehrere Gründe, weshalb die additive Fertigung als nachhaltige Produktionsmethode angesehen wird. Der 3D-Druck als Produktionsprozess steht im Einklang mit den Grundprinzipien des Umweltschutzes – reduce, reuse, recycle. Bei der additiven Fertigung können Teile mit bis zu 90 Prozent weniger Abfall im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsmethoden hergestellt werden. Darüber hinaus bietet die Technologie auch die Möglichkeit Fertigungsmaterialien wiederzuverwenden, so gelingt beispielsweise bereits das Recycling von Abfällen wie Plastikflaschen, aus denen neue Materialien hergestellt werden können. Die Abkehr von Einwegplastik und die Optimierung des Materialeinsatzes bei der Verpackungsherstellung sind einige der wichtigsten Vorteile, die 3D-gedruckte Verpackungen bieten.

Weltweit zählen Verpackungen zu den größten Abfallverursachern. Von Konsumgütern und Kosmetika bis hin zu Lebensmittelbehältern und Versandmaterialien werden tonnenweise Verpackungsabfälle auf den Mülldeponien entsorgt. China hat 2018 die Einfuhr von Abfällen verboten, und die Einfuhren von recycelbaren Kunststoffen sind inzwischen um 99 Prozent zurückgegangen. Länder wie Japan, Deutschland, das Vereinigte Königreich, Belgien, Spanien, Italien, Frankreich und die Niederlande haben mit enormen Abfallmengen zu kämpfen, während ihre Recycling-Infrastrukturen nicht für die Bewältigung solcher Mengen ausgelegt sind. Allein in deutschen Haushalten sollen 50 Prozent der Abfälle Verpackungsmaterial sein, das sind rund 230 kg pro Kopf und Jahr. Um die Abfallmenge zu reduzieren und nachhaltigere Produktionsverfahren einzuführen, haben viele Unternehmen damit begonnen, 3D-Drucktechnologien einzusetzen, um innovative und nachhaltigere Verpackungen zu fertigen.

Plastik und anderes Verpackungsmaterial macht jährlich fast 30 Prozent des Gesamtmülls in den Vereinigten Staaten aus – 3D-Drucktechnologien bringen Alternativen zu Einwegplastik auf den Markt. (Bild: Magda Ehlers/Pexels)

Wie wird nachhaltige Verpackung definiert?

Der Begriff „nachhaltig“ hat sich zu einem Marketing-Schlagwort entwickelt, mit dem die Unternehmen den Verbrauchern signalisieren wollen, dass das Produkt mit diesem Etikett nicht „umweltschädlich“ ist. Manchmal, aber nicht oft, beziehen die Unternehmen auch „soziale Verantwortung“ in den Begriff der Nachhaltigkeit mit ein – wobei soziale Verantwortung auch faire Löhne und menschenwürdige Arbeitsbedingungen umfasst. In unserer Analyse zu nachhaltigen Verpackungen werden wir uns auf die Produktionsmethoden (z. B. Spritzgießen, Binder-Jetting usw.), die Geräte (z. B. ExOne M-Flex, 3D Systems ProJet) und Materialien (z. B. biobasierte Harze, Holzzellstoff) fokussieren. Abgesehen von Marketingbegriffen und Verbraucherpräferenzen gibt es auch Drittorganisationen, die 3D-gedruckte Verpackungen überprüfen und zertifizieren. Die Toly Group, die 3D-gedruckte High-End-Verpackungen für Luxuskosmetikmarken herstellt, nimmt die Dienste mehrerer Behörden im Bereich der Nachhaltigkeit in Anspruch, darunter ISO 14001 (Zertifizierung von Umweltmanagementsystemen), CDP (Carbon Disclosure Project, das die CO2-Emissionen und CO2-Äquivalente verschiedener Unternehmen vergleicht), ISCC (Analyse der Lieferkette nachhaltiger Materialien) und Ecovadis (soziale Verantwortung von Unternehmen einschließlich Umweltfragen).

Die Nielsen-Verbraucherforschung hat ergeben, dass 73 Prozent der Millennials bereit sind, mehr für nachhaltige Produkte zu bezahlen – 66 Prozent der Verbraucher insgesamt. (Bild: Krizjohn Rosales / Pexels)

Wenn man sich zunächst die Frage stellt, ob es für Unternehmen rentabel ist in nachhaltige Verpackungen zu investieren, dann scheint einer der stärksten Faktoren das Verbraucherverhalten und die Kaufentscheidungen zu sein. In einer Umfrage unter 550 Verbrauchern gaben 53 Prozent der Teilnehmer an, dass Produkte mit Etiketten, die auf eine „umweltfreundliche“ Verpackung hinweisen, ihnen helfen, ein Produkt als nachhaltig zu klassifizieren – neben Etiketten wie „pestizidfrei“ oder „biologisch“. Außerdem seien laut einer Verbraucherumfrage von Nielsen 73 Prozent der Millennials bereit, mehr für nachhaltige Produkte zu bezahlen (und 66 Prozent der Verbraucher insgesamt). Auf Grundlage dieser Zahlen wird erkennbar, warum Unternehmen bereitwillig in nachhaltige Verpackungen investieren. „Unsere Kunden bitten uns regelmäßig um ein umweltfreundlicheres Verpackungsdesign. Hier kommt der 3D-Druck ins Spiel. Er ermöglicht es uns, Prototypen mit dünneren oder hohlen Teilen oder leichteren Materialien zu testen und sicherzustellen, dass die Verpackung immer noch die Premiumqualität des Produkts im Inneren widerspiegelt“, erklärt James A. Kingswell, Innovation Manager bei der Toly Group.

Vorteile von 3D-gedruckten Verpackungen

Eine Studie der Michigan Technological University ergab, dass für den 3D-Druck eines Artikels 41 bis 64 Prozent weniger Energie verbraucht wird als für die Herstellung in Übersee und den anschließenden Versand. Außerdem kann selbst die kleinste Reduzierung des benötigten Verpackungsmaterials zu erheblichen Kosteneinsparungen für Unternehmen führen. Mit der 3D-Drucktechnologie können Unternehmen die Menge an Kunststoffen in Verpackungsdesigns reduzieren, ohne die Produktqualität zu beeinträchtigen. Solche Erkenntnisse sind wahrscheinlich der Grund dafür, dass Unternehmen wie L’Oréal, UPS und FedEx in eigene 3D-Druckanlagen investieren. Wie bei verschiedenen 3D-Druckanwendungen in anderen Branchen sind Kosteneinsparungen und kürzere Produktionszeiten einige der wichtigsten Vorteile des 3D-Drucks zur Herstellung von Verpackungen. Die Eigenschaft der Nachhaltigkeit der Verpackungen trägt zudem zur Marktfähigkeit bei, insbesondere wenn bestimmte Verbrauchergruppen angesprochen werden sollen. Außerdem können Unternehmen so ihren Nachhaltigkeitsversprechen gerecht werden.

Zusätzlich zu den ökologischen Vorteilen von 3D-gedruckten Verpackungen bieten die Designfreiheit und die Skalierbarkeit den Unternehmen die Möglichkeit, Prototypen zu entwerfen, bevor teure Materialien zur Produktion verschwendet werden müssen. Die Verfahren ermöglichen es Marken außerdem, Kunden personalisierte Verpackungen anzubieten – entweder durch die Auswahl verschiedener Designoptionen oder mit einem vollständig individuellen Design. Marchesini beispielsweise ist ein 1974 gegründetes italienisches Unternehmen, das eine breite Palette von Verpackungen für verschiedene Branchen herstellt, darunter pharmazeutische, kosmetische und Lebensmittelverpackungen. Das Unternehmen zählt zu den größten europäischen Kunden des globalen Marktführers der additiven Fertigung Stratasys.

Marchesini hat mehrere FDM– und PolyJet-Drucker von Stratasys in Betrieb genommen, darunter fünf F270-Systeme, vier Fortus 450mc, einen großen Fortus 900mc sowie zwei PolyJet-Multimaterial-3D-Drucker. „Die Herstellung komplexer, kundenspezifischer Teile mit traditionellen Fertigungsmethoden hat sich als äußerst kostspielig und zeitaufwändig erwiesen, was den wachsenden Anforderungen der heutigen Verpackungsindustrie nicht mehr gerecht wird“, erklärt Mirko Fortunati, Koordinator für mechanische Werkstätten bei der Marchesini Group. „Die additive Fertigung von Stratasys hat es uns ermöglicht, diese Probleme zu überwinden und ein maßgeschneidertes Produktionsmodell einzuführen. Mit dieser On-Demand-Produktionsmöglichkeit können unsere Ingenieure die Vorteile einer größeren Designfreiheit nutzen, die der 3D-Druck ermöglicht, wodurch die Marchesini Group in die Lage versetzt wird, qualitativ hochwertigere Ergebnisse zu erzielen“, erklärt Fortunati weiter.

Quadpack, Hersteller von Verpackungslösungen für Kosmetikprodukte, nutzt die 3D-Drucker der J-Serie von Stratasys für seine Vollfarb- und Multimaterialfunktionen. (Bildnachweis: Stratasys)

Darüber hinaus ist die dezentrale Fertigung ein wesentlicher Vorteil der Technologie, wie auch während der COVID-19-Pandemie bewiesen werden konnte, als die globale Lieferketten unterbrochen und der Versand eingestellt werden musste. Durch den Einsatz von 3D-Drucktechnologien konnten Unternehmen ihre Produktionsstandorte schnell verlagern, weil für die Herstellung lediglich digitale Dateien benötigt werden, die anschließend vor Ort gedruckt werden können. Die digitalen Dateien ermöglichen auch die Fertigung von 3D-gedruckten Verpackungen auf Abruf. So ist es beispielsweise möglich, Verpackungen auf Basis der exakten Bestellmenge zu drucken und so den Abfall und die Menge an Verpackungen zu reduzieren, die sonst auf einer Deponie landen würden. Darüber hinaus profitieren zeitkritische Verkaufsanlässe wie kulturelle Ereignisse von den On-Demand Verpackungen, da das Risiko einer Überproduktion signifikant verringert wird.

L’Òréal setzt HP’s Multi Jet Fusion und Biomimetik ein, um das Volumen der 3D-gedruckten Verpackungen zu reduzieren. (Bild: HP)

Spritzguss und hybride 3D-Drucktechniken

Natürlich sind 3D-gedruckte Verpackungen nicht die einzige Methode nachhaltige Verpackungen zu produzieren. Es gibt auch viele Hybridverfahren, die sich als vielversprechend erwiesen haben. So ist beispielsweise das Spritzgießen, das es seit dem 19. Jahrhundert gibt, ein etabliertes traditionelles Herstellungsverfahren, das häufig neben dem 3D-Druck auf innovative Weise eingesetzt wird. Darüber hinaus fördert der 3D-Druck die Nachhaltigkeit in diesem Sektor, da das Spritzgießen von der Materialwissenschaft profitiert, die bei 3D-Technologien zum Einsatz kommt. Diese Kombination ist wirtschaftlich, da das Spritzgießen die Fertigung großer Serien erlaubt, während der 3D-Druck aufgrund der Kosten und Materialien auf kleine bis mittlere Chargen beschränkt ist. Wie der Name schon sagt, ist für das Spritzgießen eine Form erforderlich, und die Herstellung einer solchen kann zu einem ziemlich teuren Unterfangen werden. Abgesehen davon, dass die Formfindung wesentlich mehr Zeit in Anspruch nimmt. Aus diesem Grund kann anstelle einer herkömmlichen Metallform eine 3D-gedruckte Form mithilfe von FDM, dem Lasersintern oder der Stereolithografie hergestellt werden. Durch den Einsatz dieser 3D-Drucktechnologien werden die Kosten erheblich gesenkt, und die Unternehmen verringern das Risiko von Verzögerungen in der Produktion. In Bezug auf das Design eröffnet der 3D-Druck die Möglichkeit, komplexere Formen zu erstellen, was dank der Kombination der beiden Fertigungsmethoden die Möglichkeit für optimierte, nachhaltige Teile eröffnet.

Eine weitere Möglichkeit, wie die Hybridisierung des 3D-Drucks für nachhaltigere Verpackungen genutzt werden kann, ist die Herstellung spezieller Werkzeuge. Der schwedische Hersteller Celwise AB nutzt zum Beispiel die Metall Binder-Jetting-Technologie von ExOne, um mit detaillierten Metallwerkzeugen erneuerbare und biologisch abbaubare Lebensmittelbehälter und -verpackungen herzustellen. Um diese patentierten Verpackungen von Celwise herzustellen, bietet die Maschine drei Arten von Werkzeug – Formen, Transferieren und Pressen.  Celwise berichtet, dass dieses Verfahren umweltfreundlichere Produkte bietet und gleichzeitig die Herstellungskosten um 50 % reduziert. „Unsere patentierte Technologie liefert ein recycelbares, erneuerbares und biologisch abbaubares Produkt, das schneller und kostengünstiger hergestellt werden kann im Vergleich zu herkömmlichen Technologien. Fortschrittliche Fertigungsverfahren, die sich auf 3D-gedruckte Werkzeuge von ExOne stützen, sind ein wichtiger Teil unseres Prozesses“, erklärt David Pierce, Erfinder und Mitinhaber von Celwise.

Die Verpackungsmethode von Celwise verwendet ein Faserprodukt als Einweg-Kunststoffalternative. Die Form kann mit Hilfe der additiven Fertigung wie der Binder-Jetting-Technologie von ExOne hergestellt werden. Es wird erwartet, dass sich das Verfahren auf dem Markt weiter durchsetzen wird, da Celwise die umweltfreundliche Verpackungslösung bereits an internationale Unternehmen aus der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie der Kosmetik- und Elektronikbranche verkaufen konnte. Dieses Beispiel zeigt, dass nachhaltige, 3D-gedruckte Verpackungen zwar auf dem Vormarsch sind, die Technologie aber auch für die indirekte Herstellung nachhaltigerer Verpackungen zum Einsatz kommt.

Nachhaltige Verpackungsprodukte von Celwise, hergestellt mit der Binder-Jetting-Technologie von ExOne. (Bild: ExOne)

Materialwissenschaft und Simulation

Eine wichtige Rolle für nachhaltige Verpackungen spielen die verwendeten Materialien. Bis vor kurzem wurden für den 3D-Druck hauptsächlich biologisch nicht abbaubare Materialien wie Kunststoffe verwendet, die aus umweltschädlichen fossilen Brennstoffen hergestellt werden. Innovationen bei Kunststoffen und neue Kunststoffalternativen ermöglichen es jedoch, Abfälle zu einem Bruchteil der Kosten in wertvolle Produkte zu drucken. Biologisch abbaubare Kunststoffe, die aus natürlichen Materialien wie Mais oder Rohrzucker hergestellt werden, werden für Lebensmittelverpackungen, Einwegbecher und Tüten verwendet. Kompostierbare und biologisch abbaubare Materialien tragen dazu bei, die Abfallmenge, die auf Mülldeponien landet, und die Verschmutzung unserer Meere durch Plastik zu verringern. Kompostierbare Verpackungen sind insofern wertvoller, als sie im Gegensatz zu biologisch abbaubaren Verpackungen, die sich in natürliche Bestandteile auflösen, bei ordnungsgemäßer Entsorgung zu Nährstoffen für den Boden werden können. Daher tragen kompostierbare Materialien auch zur Verbesserung der Umwelt bei, was bei biologisch abbaubaren Materialien nicht immer der Fall ist.

Alle Kunststoffe werden schließlich von Mikroben in der Umwelt abgebaut, wobei CO2 und Biomasse entstehen. Einige Kunststoffe benötigen dafür jedoch Tausende von Jahren. Die Industrie kämpft deshalb vehement gegen diesen langsamen Abbauzyklus an, indem umweltfreundliche Materialien, wie beispielsweise aus dem Meer gesammelte Kunststoffe und Biokunststoffe gesammelt oder kompostierbare bzw. biologisch abbaubaren Kunststoffe verwendet werden. Eine neuere materialwissenschaftliche Errungenschaft im 3D-Druck ist das Bluesint PA12 von Materialise. Bei diesem mit dem Lasersintern kompatiblen Material handelt es sich um ein zu 100 % recyceltes Pulver mit ähnlichen mechanischen Eigenschaften zum herkömmlichen PA 12 (auch bekannt als Nylon 12). Innovationen im 3D-Druck haben die Materialwissenschaft in den letzten Jahren stark vorangetrieben, vor allem wenn es um nachhaltige Materialien geht. Dies ist ein weiteres Beispiel dafür ist, wie die Technologie zur Entwicklung nachhaltiger Verpackungen beiträgt.

In Verbindung mit der Materialwissenschaft können Verpackungsdienstleister mithilfe von 3D-Computersimulationen verschiedene Verpackungsdesigns testen und das optimale Material ermitteln. Genau darauf spezialisiert sich Dassault Systèmes, ein Unternehmen, das für 3DEXPERIENCE® bekannt ist, das Design, Simulation und die digitale Fertigung auf einer Plattform vereint. Neben den 3D-Druckern wird auch die schnelle Umsetzung neuer Verpackungsdesigns mit Hilfe von Softwarelösungen immer bedeutender. Mithilfe fortschrittlicher 3D-Modellierung können Hersteller Verpackungsdesigns optimieren, bevor die Produkte überhaupt in die Produktion gehen, wobei bereits hier berücksichtigt wird, welches Material sich für welches Design am besten eignet. „Wenn neue Verpackungsdesigns vorab simuliert werden können, bevor ein Muster hergestellt wird, können Iterationen des Flaschen- und Vorformlingsdesigns schneller und kostengünstiger durchgeführt werden, was die gesamte Designkette beschleunigt und zu einer kürzeren Markteinführungszeit führt“, erklärt Sumit Mukherjee, Chief Technology Officer bei Plastic Technologies Inc. einem der weltweiten Kunden von Dassault Systèmes.

Nachteile des 3D-Drucks

Mit einer größeren Anzahl der zu produzierenden Teile werden herkömmliche Fertigungstechnologien in der Regel wesentlich wirtschaftlicher. „Wir haben umfangreiche Studien durchgeführt, die zeigen, dass das Spritzgießen bei der Massenproduktion dem 3D-Druck unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit immer noch weit überlegen ist. Das liegt vor allem daran, dass beim Spritzgießen Tausende von Teilen pro Stunde hergestellt werden können, im Gegensatz zu den mehrstündigen Bauzeiten, die für den 3D-Druck typisch sind“, erklärt Olaf Zahra, Chief Officer Technology & Sustainability bei der Toly Group. „Außerdem gibt es für das Spritzgießen viel nachhaltigere Optionen in Bezug auf die Materialien als für den 3D-Druck. Dennoch ist der 3D-Druck sowohl wirtschaftlich als auch ökologisch sinnvoll, wenn es um geringere Stückzahlen geht. Die Schwelle liegt derzeit irgendwo zwischen 10.000 und 15.000 Teilen. Das Gleichgewicht wird sich zugunsten der additiven Fertigung verschieben, wenn die Druckgeschwindigkeit steigt und biobasierte und biologisch abbaubare Materialien verfügbar werden.“

Die ordnungsgemäße Entsorgung neuer nachhaltiger Materialien stellt eine Herausforderung für die Verbraucher und die bestehende Recycling-Infrastruktur dar. (Bild: Marcell Viragh / Unsplash)

Während biologisch abbaubare Materialien und dergleichen als Produkte für eine nachhaltige Zukunft angepriesen werden, bringen diese Materialien andere Probleme mit sich. Das neue Sortiment an Biokunststoffen ist nicht leicht von herkömmlichen Kunststoffen auf Erdölbasis zu unterscheiden. Infolgedessen werden diese neuen Kunststoffe von den Verbrauchern häufig dem Recycling beigemischt, entweder in der Kunststoffrecycling-Sammlung oder in der Biotonne. Dies beeinträchtigt sowohl die Kunststoff- als auch die Kompostierungsprozesse und stellt eine neue Herausforderung dar, die es auf dem Weg zur Nachhaltigkeit zu lösen gilt.

Der nachhaltige Weg nach vorn

Auf dem Markt erwarten die Verbraucher zunehmend nachhaltige Produkte und Verpackungen. Aus diesem Grund werden die Unternehmen ihr Angebot weiter optimieren müssen, um den Kaufpräferenzen der Verbraucher gerecht zu werden. Laut einer Umfrage von Deloitte UK aus dem Jahr 2021 sind 22 Prozent der Verbraucher nicht daran interessiert, nachhaltige Produkte zu kaufen (15 Prozent gaben an, nicht genügend Informationen zu haben), und 16 Prozent geben an, dass diese nachhaltigen Produkte zu teuer sind. Da die 3D-Drucktechnologien sich rasant weiterentwickeln und die Produktionskosten in Zukunft weiter sinken werden, gilt es in diesem Zug auch die Verbraucher besser zu informieren. Es könnte hilfreich sein, mit vertrauenswürdigen Zertifizierungsorganisationen zusammenzuarbeiten, um eine genaue Produktkennzeichnung (z. B. „umweltfreundlich“, „biologisch abbaubar“ usw.) zu gewährleisten und mit einem Label zu verdeutlichen, warum sich der Aufwand bzw. die eventuelle Mehrkosten für den Verbraucher lohnen. In dem Bestreben, Einwegplastik zu eliminieren, wird die Materialwissenschaft auch weiterhin die Innovation in diesem Bereich vorantreiben. Da Unternehmen eine effizientere Produktion und Kosteneinsparungen anstreben, können 3D-Drucktechnologien das Versprechen der Nachhaltigkeit mit einer optimierten Materialauswahl, digital dezentralisierte Fertigung und Skalierbarkeit einhalten.

Titelbildnachweis: Mali Maeder / Pexels