以胶粘剂的双组份塑料包装为例，开发可持续解决方案的挑战

更经济的解决方案的数字模拟

有限元法(FEM)可用于分析部件的机械完整性。这种数值模拟被用来测量要制造的产品的刚度和强度。如果在后续应用中也发生周期性载荷，则在下游进行疲劳计算，以估计预期的使用寿命。由于注塑成型填充和结构模拟的紧密耦合，在结构计算中直接考虑制造影响。

计算流体动力学(CFD)模拟有助于开发混合双组份胶粘剂的几何形状。考虑到胶粘剂通常复杂的流变特性和应用条件，可以选择或新开发有效的混合技术。在这种情况下，效率涉及到以尽可能低的压力损失和尽可能小的混合管几何形状实现要混合的胶粘剂成份的特定质量。

图2:用于开发过程模拟的工具

与数值模拟并行，在首个产品生产之前，通过填充模拟来分析注塑成型过程。这有助于识别可能发生的问题。然后可以采取适当的措施，例如，优化排气以避免气泡产生，重新布置合模线到非关键区域或优化纤维取向度。此外，它还提供了冷却过程中有关零件收缩和翘曲的重要信息。由于注塑过程对生产成本有重大影响，提前模拟为提高产品的成本效益提供了巨大的潜力。

看似微小的变化带来的多样化挑战

可以想象各种场景，以开发更可持续的包装解决方案。一种可能性是通过渐进的改变来减少对环境的影响，比如选择不同的材料。通过这种方法，通常只优化了产品生命周期的一个部分。其目的是继续使用基本不变的产品设计，以实现尽可能短的实施时间。

更激进的方法，如新的包装概念，可以打开更大的可持续性优化潜力。这通常涉及到在整个产品生命周期中释放碳节约的新产品设计。然而，为了实现改进，可能需要调整供应链中的处理步骤。

图3:产品开发面临的多种挑战

双组份施胶系统包装解决方案的产品开发挑战是多方面的(图3)。在开发过程中，必须考虑的重要方面是胶筒的安全使用和配方的存储稳定性。有必要以这样一种方式来设计产品，即胶筒中的配方不会过早地发生反应，从而损害其功能。法规要求在双组份施胶系统包装解决方案的开发中也起着至关重要的作用。

材料选择

图4:选材要求

在选材时必须考虑这些方面。如果参考产品是由化石基塑料原料生产的，就必须选择一种更可持续的材料，满足原始材料的机械性能和耐化学性。要成功地从碳密集型原材料转向更可持续的选择，重要的是能够使用现有的生产流程和设施。对于注塑成型来说，这意味着使用相同的机器和模具。如今，原生塑料的可持续替代品通常更加昂贵，因为生产过程更复杂，产量更低。在未来，由于生物塑料的规模效应或立法使得化石基塑料的使用更加昂贵，比如额外的税收，这种差异可能会减少。再生材料“即换即用”同基准化石基材料方案相比变动最小，因此为更可持续的产品提供了巨大的潜力(图4)。这里的目标应该是将回收的材料用于通常使用化石基塑料的复杂技术应用。

材料评价

图5:再生材料评价

国际上活跃的公司的生产基地一般都是全球布局。使用回收材料的最好方法是“本土化”，即在本地工厂使用当地可获得的材料(图5)。这支持了区域循环经济的方法，并避免不必要的运输。此外，通常没有全球可用的回收材料类型，就像石油基塑料一样。其结果是，必须在每个地区使用不同的供应商。来自这些供应商的材料会有不同的特性。挑战在于满足产品安全使用的必要材料要求。 

在使用回收材料时，不同生产批次之间可能存在颜色偏差，以及黑点等缺陷。这些对产品性能没有影响。由于其作为包装材料的广泛使用，有大量的消费后回收(PCR)标准塑料，如聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE)的选择。对于聚酰胺(PA)或聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)等技术塑料，PCR材料通常还没有足够的数量。工业后回收(PIR)可用于这些材料。

一致的性能

图6:可持续解决方案的表现

真正的即换即用解决方案使用更可持续的材料，但满足标准项目的相同应用要求-尽管这些标准项目在现代应用系统中有所不同(图6)。零件的尺寸和材料属性必须符合规格，以便它们与其他单个部件完美适配，例如，当用前盖锁闭胶筒时，或尾塞和胶筒之间的摩擦力符合规格。同样重要的是，要确保系统在不断变化的气候条件下保持密封。在使用过程中，会产生载荷，因此相关部件必须具有相应的机械稳定性，以符合规定的爆裂或跌落强度。 

计算生态足迹

为了计算和模拟产品的生态足迹，medmix使用生命周期评估(LCA)软件。LCA评估产品从原材料提取到固废处理的整个生命周期对环境的影响。产品生命周期可以分为三个阶段(图7):

图7:跨产品生命周期所有阶段的优化

1. 第一阶段，“上游”，包括原材料的提取和生产制造产品所需的前体。

2. 第二阶段“核心”，是指前期产品的运输和产品的实际制造，包括包装。

3. 第三阶段，“下游”，涵盖了产品的分销、使用、处置和回收。通过识别系统中的薄弱环节，可以发现优化的潜力。

从摇篮到大门的评估-对环境影响的详细考虑

制造商通常没有意识到他们产品的应用环境。为了更快地得到结果，可以简化LCA。因此，许多公司在其系统边界内考虑制造产品的环境影响，这可以直接受到它们的影响。这个场景可以是一个从摇篮到大门的分析。从摇篮到工厂大门的观察使公司能够评估产品或服务的环境足迹，并确定制造过程中潜在的环境影响热点。这种理解可以在设计、材料选择和生产方面促进更多的生态决策，从而提高可持续性。

作为指导原则，最大的潜力存在于材料的使用和制造过程的电力供应。图8“材料和工艺的全球变暖潜势(GWP)”显示了不同材料和工艺的CO₂当量(CO₂ eq)。这个概述提供了对优化可能存在的影响因素的初步指示。再加上组件的各自重量或加工数量，这提供了最大的节省潜力。

图8:材料和工艺的全球变暖潜势(GWP)

“即换即用”解决方案

可持续解决方案的一个例子是使用再生塑料。通过优化产品生命周期的“上游”和“核心”阶段，可以减少对环境的影响。这种循序渐进的方法可以作为即换即用的解决方案实施，因为现有的工艺和生产资源适合制造产品。该用例的节约潜力与塑料材料的不同 CO2 当量有关，因为假设在每种情况下都使用来自可持续来源的电力来制造产品（图 9）。

图9:插入式解决方案-使用与化石基塑料相同的工艺

根据内部 LCA，在此示例中可以节省 38% 的 CO₂ 排放量。这种循序渐进方法的优点是无需对用户端的进一步处理步骤（例如灌装过程或应用程序例程）进行调整。因此，该解决方案代表了实施更可持续产品的最低准入门槛。

从摇篮到坟墓的评估 - 全面考虑环境影响

通过扩大分析范围，可以确定更大的节约潜力。在从摇篮到坟墓的分析中，考虑了产品从原材料提取到产品生命周期结束时处置对环境的影响。这样可以对环境影响进行全面评估。其目的是能够在产品设计、材料选择、使用以及回收或处置方面做出更可持续的决策。从摇篮到坟墓的分析可以全面了解产品对环境的影响，从而制定成功的策略来减少这种影响。

确定研究和产品系统的范围

首先，必须定义要分析的产品体系(图10)。在本例中，添加了双组份胶粘剂的包装和内容物对环境的影响。为了明确界定系统的分析，使用胶粘剂的产品不属于该分析的一部分。LCA旨在比较两种不同的包装系统对环境的影响，因此不考虑粘合过程，包括底漆的制备，清洁和使用，点胶设备的使用和效果以及灌装产品的标签和包装。

图10:简化的产品系统可视化图

热点分析

通过LCA，可以识别具有最大优化潜力的热点。必须区分哪些区域可以直接受到影响，哪些区域只能间接改变或根本不能改变。

高质量包装解决方案的研发人员可以影响环境影响，主要是在上游和核心阶段。例如，使用绿色能源或更可持续的材料(见即换即用解决方案)。此外，可以通过新的包装概念(见生态包装概念)减少材料的使用量。在大部分的“下游”阶段，没有或只有有限的优化选项。 

在这个内部LCA中，胶粘剂占CO₂排放的最大比例，但包装制造商对此没有直接影响。然而，如果制造商通过优化实现较低的CO₂排放，包装对环境的积极影响将成比例地更大。因此，只有与价值链中所有相关人员一起才能实现可持续的改进。然而，包装开发人员也可以帮助胶粘剂制造商通过新的开发，减少使用后胶粘剂在混合管中的残留量。这可以通过更高效的混合几何形状来实现。在生命周期结束时，可以通过调整概念再次直接影响环境影响，例如通过减少浪费和/或胶粘剂残留的产品解决方案。

生态包装概念 

基于生态设计原则的新解决方案可以为提高可持续性打开额外的潜力(图11)。通过这种激进和创新的方法，可以在产品生命周期的所有阶段实现改进。与即换即用解决方案相比，在“下游”阶段也可以实现优化。通过对大部分胶筒采用软包装，可以节省材料，从而减少了运输体积。为此应用开发了可重复使用的支撑套筒，这有助于降低生态足迹。在生命周期结束时，只有包装的一次性部分会被扔掉，大大减少了浪费量。这种解决方案的优点是，通过包装设计和可重复使用的支撑套筒分别节省了大量的材料和固废，提高了产品的可持续性。总的来说，该包装理念是在产品开发中如何协调生态和经济需求以创造可持续解决方案的例子。

图11:整体可持续:遵循生态设计原则的包装概念

将整个价值链考虑在内 

LCA显示了与标准解决方案相比的节省。在“上游”和“核心”阶段，可以通过使用更少的材料和考虑可重复使用的支撑套筒的生态设计原则来减少CO₂当量(基于1000次重复使用计算)。分析的目的是客观评估对环境的影响;由于使用后残留少，现有的解决方案在胶粘剂使用方面具有优势。在生命周期结束时，带有可重复使用的支撑套筒的新包装概念可以显着减少固废量，从而降低CO₂当量。

图12:“摇篮到门”解决方案的GWP

共同努力，推出更符合当前趋势的成功产品

综上所述，可以说，可持续性在胶粘剂和密封剂双组份施胶系统的产品开发中发挥着越来越重要的作用(图12)。要克服生态和社会方面的挑战，必须协调经济、生态和技术要求。

借助模拟工具的数字化开发过程有助于形成封闭的模拟链，并就可持续性发表声明。通过实施即换即用材料解决方案，可以以最小的变化快速成功。然而，当使用再生材料时，在选择材料以交付符合规格的产品时，了解要求非常重要。

通过使用 LCA 软件，可以使环境影响可见，突出新开发的优化潜力。更可持续的包装概念可以在整个生命周期内实现节约。考虑整个价值链以避免环境影响的转变至关重要。因此，只有通过价值链中的所有参与者共同努力，才能实现循环解决方案。