WLAN-Router neu gedacht: Kreislauffähige Elektronik dank recyceltem Aluminium und Laserdirektstrukturierung für die Integration von Antennen

WLAN-Router sind allgegenwärtig. Dass ihre Gehäuse oftmals aus Kunststoff bestehen, stellt das Recycling vor diverse Herausforderungen. In dem Forschungsprojekt »ALU4CED« (»Aluminum based multifunctional housing for circular electronic devices«) hat ein deutsch-polnisches Konsortium aus Forschung und Industrie unter Beteiligung des Fraunhofer IEM und Fraunhofer IZM einen nachhaltigen Router aus Aluminium entwickelt und die Laserdirektstrukturierung (LDS) eines Lacks erprobt.

Der Router erfüllt die Anforderungen der aktuellen EU-Ökodesign-Richtlinie, kommt ohne Plastikgehäuse aus und nutzt kompaktere Leiterplatten – ein Schritt hin zu kreislauffähigen, ressourcenschonenden Geräten.

RealIZM sprach mit Tapani Jokinen, Experte für zirkuläres Design, und Dr. phil. Lutz Stobbe, Leiter der Arbeitsgruppe »Nachhaltige Netze und Computing« am Fraunhofer IZM, um mehr über den Designprozess sowie die Ergebnisse des Forschungsprojekts zu erfahren.

Design trifft Nachhaltigkeit

Das Massenprodukt WLAN-Router gehört meist zu jenen technischen Geräten, die man lieber versteckt als präsentiert. »Unser Ziel war es, ein ressourcenschonendes und ästhetisch ansprechendes, multifunktionales Gehäuse für zirkuläre elektronische Geräte zu entwickeln«, sagt Tapani Jokinen. Die Verwendung von Aluminium erscheint auf den ersten Blick ökologisch schlechter zu sein, da der Carbon Footprint für die Herstellung von Aluminium höher ist als für Plastik. Allerdings ändert sich das Bild, wenn man längerfristig denkt und berücksichtigt, dass Aluminium qualitativ deutlich besser rezykliert werden kann als Plastik und rezykliertes Aluminium einen ähnlich geringen Carbon Footprint erreicht wie Plastik.

Die Voraussetzung hierfür ist jedoch ein materialsparendes Gerätedesign, welches auch die leichte Trennung der wesentlichen Materialfraktionen, d. h. die Leiterplatte und das Aluminiumgehäuse, direkt adressiert. So beschreibt Tapani Jokinen den Ausgangspunkt seiner Arbeit. Von zentraler Bedeutung war das Design-Briefing. Dieses wurde bereits in einer frühen Phase des Alu4CED-Projekts formuliert:

• Hightech-Design mit hochwertiger funktionaler Optik (Aluminium)
• Symmetrisches einteiliges Gehäuse mit gespiegelter Vorder- und Rückseite
• Optimiertes Wärmemanagement, welches die Positionierung der aktiven Bauelemente auf der Platine und einen verlustarmen thermischen Übergang zum Gehäuse berücksichtigt. Zudem wurden in den Gehäuseteilen Kühlrippen integriert.
• Kreislauffähigkeit: einfache (De-)Montage mit Standardwerkzeug und brechbare Schraubfutter für die schnellste Öffnung des Gerätes beim Recycling
• Einfache Installation auf Tisch und Wand ohne zusätzliche Hilfsmittel
• Modulares Design für Reparatur, Upgrades und Verlängerung der Lebensdauer des Gerätes von 7 auf 10 Jahre
• Material- und Herstellungseffizienz: geringe(r) Materialverbrauch und -vielfalt (materialoptimiert und weitgehend aus recyceltem Plastik)
• Optimierung des Formfaktors der Leiterplatte für eine sehr hohe Flächenausbeute auf dem Fertigungsformat
• Multifunktionales Design und hoher Integrationsgrad: Antennen und Touchbuttons mittels der neuen LDS-Technologie auf der Gehäuseoberfläche integriert
• LCA-gesteuerte Designentwicklung: Das Design wurde kontinuierlich durch begleitende Ökobilanzen unterstützt.

Aluminiumgehäuse als Gamechanger für nachhaltige WLAN-Router

Basierend auf den Designzielen wurde ein geeignetes Gehäusematerial ausgewählt. Die Forschenden setzten auf Aluminium, um Ästhetik, Nachhaltigkeit und Haltbarkeit zu vereinen. Aluminium bietet mehrere Vorteile: Zum einen kann Aluminium ohne Qualitätsverlust mehrfach recycelt werden. Zum anderen beträgt der CO₂-Fußabdruck von recyceltem Aluminium zwischen 1,0 und 6,0 kg CO₂e pro kg, während dieser für Primäraluminium bei 15,1 kg CO₂e pro kg liegt – eine Einsparung von 60 bis 93 %.

Der CO₂-Fußabdruck für neue hochwertige Kunststoffe liegt zwischen 3,0 bis 5,0 kg CO₂e und für recycelte Kunststoffe zwischen 0,5 bis 1,5 kg CO₂e. Für die Berechnungen der LCA-Szenarien im Alu4CED-Projekt wurden daher 2,9 kg CO₂e für durchschnittliches primäres ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer(e)) und 0,6 kg CO₂e für recyceltes ABS verwendet.

Material- und Platzersparnis durch integrierte HF- und Wärmeübertragung

»Die Wahl von Aluminium für das Gehäuse des Routers ermöglichte innovative Fertigungstechnologien und multifunktionale Strukturen – für mehr Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung«, erläutert Jokinen. Dank einer speziellen Laserdirektstrukturierung (LDS) eines Lacks ist die dreidimensional geformte Aluminiumoberfläche multifunktional: »Die Innovation besteht darin, die Antennen direkt in die Oberfläche des Gehäuses zu integrieren.«

Die Innenseite des Gehäuses wird als Schnittstelle zur Wärmeübertragung genutzt. Auf der Außenseite des Gehäuses wurden die Antennen und Sensoren direkt integriert. Der LDS-Lack besitzt gute Hochfrequenzeigenschaften und erlaubt die Integration von HF-Strukturen und Antennen für 6 GHz. Dafür hat das Fraunhofer IEM die 3D-MID-Technologie (Molded Interconnect Devices) adaptiert. Bisher kam dieses Verfahren nur bei Kunststoffen zur Anwendung. Die LDS-Technologie ermöglicht eine individuellere Strukturierung und 3D-Strukturen der Leiterbahnen und bietet somit eine größere Freiheit beim Design.

Die technische Innovation wirkt sich nicht nur auf die Funktionalität, sondern auch auf die Umweltbilanz des Routers aus. »Die Multifunktionalität des Gehäuses erfüllt zentrale Ziele des Forschungsprojekts, wie beispielsweise die Reduzierung des Materialverbrauchs, die Optimierung der Raumnutzung und die Verwendung von recycelbaren Materialien«, erklärt Jokinen.

Kompaktes Aluminiumgehäuse und integrierte Antennen optimieren Ökobilanz

»Unser Ökodesign-Konzept spart Ressourcen: Wir haben den Gehäusekunststoff durch recyceltes Aluminium ersetzt und das Volumen des Routers um 17 % gegenüber dem Referenzrouter dadurch reduziert, dass wir die Antennen und einen Teil der Elektronik von der Leiterplatte auf das Gehäuse verlagert haben«, so fasst Dr. Lutz Stobbe die zentralen technischen Fortschritte des Projekts zusammen.

Im Ergebnis konnte die Herstellungsökobilanz von etwa 16 kgCO2e für das neue Ökodesign-Konzept um etwa 6 kgCO2e gegenüber dem konventionell gefertigten Router mit knapp 22 kgCO2e reduziert werden. Die primäre Einsparung resultiert hierbei aus der Reduktion der Leiterplattenfläche sowie der Erhöhung der Flächenausbeute bei der Leiterplattenfertigung. Auch der Einsatz rezyklierten Aluminiums trägt nicht unerheblich zur Verbesserung bei.

Aufschlüsselung des CO₂-Fußabdrucks der Herstellung nach Hauptkomponenten für das konventionelle Design (Szenario 1A) und den Ökodesign-Router (Szenario 2A). | © Fraunhofer IZM

Innovative Gehäuseintegration

Ein weiterer Vorteil von Aluminium ist dessen hervorragende Wärmeleitfähigkeit, die angesichts immer leistungsstärkerer Komponenten unverzichtbar ist. »Wir haben es geschafft, Kühlkörper, alle Komponenten und Befestigungen für die Leiterplatte direkt in das Aluminiumgehäuse zu integrieren«, betont Jokinen. So wird die Wärme effektiv abgeführt und auf zusätzliche Kühllösungen verzichtet.

2022 wurden in Europa nur 3,2 % der recycelten Kunststoffe in neuen elektronischen oder elektrischen Geräten verwendet.¹ Dank des hohen Schrottwerts und der einfacheren Trennung sind Aluminiumgehäuse deutlich attraktiver für Recycler als Kunststoffgehäuse.

Technologiedemonstrator für Tests und Validierung (Zugfestigkeit, thermische Eigenschaften, elektrische Eigenschaften) – Verschiedene Ansichten der LDS-Strukturierung, Aluminiumgussprofile, thermische Tests und Labortests | © Fraunhofer IEM

Jokinen verweist auf eine weitere Besonderheit: »Aluminium ermöglicht vielfältige Gestaltungsoptionen hinsichtlich Farbgebung und Oberflächenfinish.« Die technisch und ökologisch bevorzugte Methode zur Oberflächenveredelung ist das Eloxieren. Dabei wird durch einen elektrochemischen Prozess eine kontrollierte Oxidschicht aus Aluminiumoxid erzeugt, die fest mit dem Grundmaterial verbunden ist. Diese Schicht ist extrem dünn, ungiftig und entspricht der natürlichen Oxidation von Aluminium. Sie erhöht die Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit des Werkstoffs, ohne die Materialreinheit zu beeinträchtigen. Da keine Fremdstoffe aufgebracht werden, bleibt die vollständige Recyclingfähigkeit des Aluminiums erhalten.

Zwei Designvarianten

Ziel war es, den umweltfreundlichsten und ressourcenschonendsten WLAN-Router zu entwickeln. Jokinen erklärt: »Wir haben uns für ein Gehäuse entschieden, bei dem Vorder- und Rückseite identisch sind. So sparen wir Fertigungskosten und Produktionszeit.«

Ein einziges Formwerkzeug reicht aus, und durch weniger Bauteile und eine kapazitive Touch-Leiste steigt der Integrationsgrad. Die Funktionen verteilen sich symmetrisch auf beiden Seiten. Lüfter und Lamellen sorgen für eine effiziente Wärmeabfuhr. Viele Router benötigen zusätzliche Haltevorrichtungen aus Kunststoff für die Wandmontage. Dies erhöht die Komplexität und Kosten. Jokinen und sein Team schlagen stattdessen eine flexible Halterung aus Leder oder Stoff mit Haken vor. Diese ist multifunktional und kann alternativ auch für Kleidung oder Taschen verwendet werden.

Wandmontage-Konzept für den ALU4CED WLAN-Router | © Fraunhofer IZM I Tapani Jokinen

Zum Nachweis der Machbarkeit wurde in dem Forschungsprojekt ein funktionsfähiger Demonstrator (Ultra 1) entwickelt. In diesem Prototyp wurde die LDS-Technologie erprobt. Zusätzlich entstand ein Showcar-ähnliches Designkonzept (Ultra 2 Compact), das visualisiert, wie ein späteres Serienprodukt aussehen und sich anfühlen wird. Vorrangiges Ziel war es, die Größe und Komplexität des Routers weiter zu reduzieren. Dank des smarten Kabelmanagements benötigt der Router nur noch einen USB-C-Anschluss – das Netzteil liefert Strom und Daten über ein einziges Kabel.

Designkonzepte Ultra 1 und Ultra 2 Compact | © Fraunhofer IZM I Tapani Jokinen

Designkonzept Ultra 1 | © Fraunhofer IZM I Tapani Jokinen

Designkonzept Ultra 2 | © Fraunhofer IZM I Tapani Jokinen

Über die Material- und Energieeinsparung hinaus verfolgt das Projekt einen ganzheitlichen Ökodesign-Ansatz, der den gesamten Produktlebenszyklus berücksichtigt.

Ökodesign als Systemansatz

»Mit dem Ökodesign-Ansatz reduzieren wir die Umweltbelastung durch elektronische Konsumgüter«, führt Stobbe aus.» Das Circular Design Lab-Team am Fraunhofer IZM entwickelt mit einen LCA-gesteuerten Designansatz nachhaltige und zuverlässige elektronische Systeme.«

Zunächst identifizieren die Umweltexpert*innen für Elektronik die Hotspots im Produktlebenszyklus, die die größten Umweltauswirkungen haben. Für die ermittelten Hotspots werden dann neue, umweltgerechtere Materialien und Prozesse ausgewählt.

Stobbe und Jokinen stimmen überein, dass der »Nachhaltige Design-Framework« nicht nur das Produktdesign beinhaltet, sondern auch Serviceangebote wie Reparatur und Wartung. Zirkuläres Design geht über das Produkt, die Dienstleistung und das System hinaus und berücksichtigt dessen gesamte Auswirkungen und Lebenszyklus nach dem »Cradle to Cradle«-Prinzip. Gemeint ist, dass Hersteller eine erweiterte Verantwortung für ihre Produkte von der Entstehung (»Wiege«) bis zur Wiederverwendung (»Wiege«) haben.

»Jedes Produkt ist ein Depot wertvoller Materialien und sollte so gestaltet sein, dass diese sinnvoll wiederverwendet werden können«, erläutert Jokinen.

Ein weiteres zentrales Ziel in dem Forschungsprojekt war daher, die Recyclingfähigkeit des WLAN-Routers sicherzustellen. Die Forschenden haben die Recyclingmethoden analysiert und daran Designvorschläge abgeleitet. Ein wichtiger Bestandteil dieses Ansatzes ist die Frage, wie sich Recycling und Reparatur bereits im Designprozess optimal berücksichtigen lassen.

Recycling und Reparatur neu gedacht

Die Recyclingquote gibt an, wie viel Prozent eines Gerätes sich theoretisch wiederverwerten lassen. Dies setzt Materialien und ein Design voraus, die ein sortenreines Recycling ermöglichen. Bei WLAN-Routern sind Klebeverbindungen und Schnappverschlüsse üblich. Ein Öffnen des Gehäuses ohne Beschädigung ist praktisch nicht möglich. Schraubverbindungen sind zwar gut demontierbar, erfordern aber Handarbeit.

Um den Router leicht wartbar zu gestalten und seine Materialien effizient recyceln zu können, schlugen die Forschenden einen innovativen Lösungsansatz vor: Ein Kunststoffgewinde ermöglicht ein schnelles Aufbrechen des Gehäuses. Im Fall einer Reparatur kann die Verbindung mit einem Schraubenzieher geöffnet und wieder verschraubt werden.

Zirkuläre WLAN-Router im nachhaltigen Aluminiumgehäuse: Konzeptstudie des Aluminium-Gehäuses – ein identisches Design der Ober- und Unterseite senkt Herstellungskosten und die Produktionszeit. | © Tapani Jokinen

Wie unterscheidet sich der Ökodesign-Ansatz von bisherigen Produktdesign?

Nach Einschätzung von Jokinen hat sich der Designprozess für Konsum- und Industrieprodukte grundlegend verändert. Das klassische Produktdesign berücksichtigt Kundenbedürfnisse und technische Anforderungen. Ökodesign erweitert diesen Ansatz um Umwelt- und Sozialaspekte über den gesamten Produktlebenszyklus.

Jokinen betont: »Als Produktdesigner ist die Betrachtung des gesamten Systems und dessen Auswirkungen während der Lebensdauer erforderlich. Im zirkulären Design werden Wertkreisläufe betrachtet, um Umweltbelastungen zu minimieren, Abfälle bei der Produktion und Entsorgung zu reduzieren und gleichzeitig den Wert für Hersteller, Nutzer und Recycler zu maximieren.«

Dieser Ansatz umfasst Materialauswahl, ressourcenschonende Herstellung, Vertrieb, Nutzung, Reparatur und Wiederverwertung. Ziel des zirkulären Designs ist es, durch robuste Materialien, einfache Wartung und Updates die Lebensdauer von elektronischen Produkten deutlich zu verlängern.

An der Wertschöpfung sind zahlreiche Akteure beteiligt. Jokinens Grundsatz lautet daher »folge dem Geld«, um wirtschaftliche Anreize für alle Beteiligten zu schaffen. Er verweist dabei auf langlebige Materialien: »Aluminium ist ein wertvolles Material, das im Grunde ewig hält.« Und ergänzt: »Wir entwickeln innovative Strategien, um möglichst in sich geschlossene Kreislaufsysteme zu schaffen.«

Fazit und Ausblick

Jokinen fasst das Projekt so zusammen: »Das Alu4CED-Projekt zeichnet sich durch seinen multidisziplinären Ansatz aus. Es kombiniert die Expertise von Designern, Ingenieuren, Nutzern und Akteuren mit dem Thema Nachhaltigkeit.« Die gewonnenen Erkenntnisse und entwickelten Lösungen bilden die Grundlage für zukünftige, nachhaltige Produktgenerationen.

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»ALU4CED« (»Aluminum based multifunctional housing for circular electronic devices«)

Laufzeit: 10/2023 – 09/2025

Förderung: Allianz für industrielle Forschung (AiF) und Collective Research Networking (CORNET) gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)

Fördervolumen: zirka 1,1 Mio. Euro

Projektpartner: Fraunhofer IEM, Fraunhofer IZM, Łukasiewicz Research Network – Tele and Radio Research Institute ITR, Łukasiewicz Research Network – Institute of Non-Ferrous Metals

Assoziierte Partner: Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen (3-D MID e.V.) und Polnische Handelskammer für Elektronik und Telekommunikation

Das ALU4CED-Projekt wurde auf der Kaohsiung International Invention & Design EXPO (KIDE 2024) in Taiwan mit der Goldmedaille für Innovation ausgezeichnet. Dieser Preis unterstreicht die Relevanz nachhaltiger Designansätze in der Elektronik.

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Veröffentlichungen:

Marek Kościelski, Lutz Stobbe, Thomas Mager, Tapani Jokinen, Adelja Schulz und Andrzej Kiernich, »ALU4CED – New concept for circular electronic design based on aluminium«, 2024 Electronics Goes Green 2024+ (EGG) ; 1-7 IEEE, June 18, 2024

Lutz Stobbe, Paul Schuster, Tapani Jokinen, Thomas Mager, Bruno Mecke, Marek Kościelski und Wojciech Szymański, »Aluminum-based multifunctional housing for circular electronic devices«, 14th International Symposium on Environmentally Conscious Design and Inverse Manufacturing (EcoDesign2025), November 2025

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Quellen:

¹ Plastics Europe: The Circular Economy for Plastics – A European Analysis – March 2024 (S.19)