T9 E - Werkstoffentscheidung nachhaltig bewerten

Einleitung

Eine Werkstoffentscheidung ist selten einfach. Ein Werkstoff kann technisch sehr gut passen, aber viel Energie bei der Herstellung benötigen. Ein anderer kann günstig sein, aber schwer reparierbar oder schlecht trennbar sein. Deshalb bewertest Du Werkstoffe nach mehreren Kriterien.

In diesem aiMOOC lernst Du, eine Werkstoffentscheidung für ein technisches Produkt nachvollziehbar zu begründen. Du vergleichst dabei technische Eignung, ökologische Folgen und wirtschaftliche Folgen. Du arbeitest mit Lebenszyklen, Rohstoffdaten, Recyclingpfaden, Transportwegen und Kriterienmatrizen.

Der Bildungsplan Technik für die Sekundarstufe I in Baden-Württemberg fordert unter anderem, Werkstoffe bedarfsgerecht auszuwählen, ihre Eignung zu beurteilen, technische Objekte kriterienorientiert zu bewerten sowie ökologische und ökonomische Kriterien zu berücksichtigen.

Prüfungsziel: Du kannst eine Werkstoffentscheidung anhand von mindestens vier Kriterien bewerten und Deine Entscheidung fachlich begründen.

Bildlegende: Ein Produkt durchläuft mehrere Lebensphasen. Für eine nachhaltige Werkstoffentscheidung reicht es nicht, nur die Herstellung zu betrachten.

Medienauftrag – beobachten: Benenne fünf Stationen, die Du in der Grafik erkennst. Markiere gedanklich die Stellen, an denen Material, Energie oder Transport benötigt werden.

Sicherheitsrahmen

Praktische Arbeiten finden nur nach schulischer Unterweisung, mit Aufsicht und mit erforderlicher Schutzausrüstung statt.

Keine eigenständige Nutzung gefährlicher Maschinen.
Keine eigenständigen Schmelz-, Trenn- oder Zerkleinerungsversuche.
Keine Arbeiten an Netzspannung.
Elektrische Versuche nur mit freigegebenen Komponenten und sicherer Kleinspannung.
Unbekannte Werkstoffproben nicht erhitzen, verbrennen oder chemisch behandeln.
Schneidende, bohrende oder schleifende Tätigkeiten nur nach Freigabe durch die Lehrkraft.

Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du:

Werkstoffe anhand technischer, ökologischer und wirtschaftlicher Kriterien vergleichen.
die Fachbegriffe Primärrohstoff, Sekundärrohstoff, Recyclingfähigkeit, Lebensdauer, Reparierbarkeit und Ressourcenverbrauch erklären.
einen Lebenszyklus von der Rohstoffgewinnung bis zur Verwertung untersuchen.
Unterschiede zwischen Primär- und Sekundärrohstoffen erklären.
Recyclingpfade auf technische Verluste und Trennprobleme untersuchen.
Transportwege in eine Bewertung einbeziehen.
eine Kriterienmatrix ausfüllen, gewichten und kritisch prüfen.
Zielkonflikte erkennen und ohne einfache Gut-Schlecht-Urteile begründen.
eine prüfungsnahe Werkstoffentscheidung mit mindestens vier Kriterien formulieren.

Grundbegriffe

Primärrohstoff

Ein Primärrohstoff wird neu aus natürlichen Lagerstätten oder biologischen Quellen gewonnen.

Beispiele sind Bauxit für Aluminium, Eisenerz für Stahl, Erdöl als Ausgangsstoff vieler Kunststoffe oder Holz aus Forstwirtschaft.

Bildlegende: Bauxit ist ein wichtiger Ausgangsrohstoff für die Herstellung von Aluminium.

Medienauftrag – untersuchen: Beschreibe Farbe, Struktur und erkennbare Einschlüsse. Erkläre anschließend, warum vom Gestein bis zum fertigen Aluminium mehrere technische Prozessschritte nötig sind.

Sekundärrohstoff

Ein Sekundärrohstoff entsteht aus bereits genutzten Produkten, Produktionsresten oder Abfällen. Das Material wird gesammelt, getrennt und aufbereitet.

Beispiele sind Aluminiumschrott, Stahlschrott, Recyclingkunststoff oder Altholz.

Bildlegende: Aluminiumschrott kann als Sekundärrohstoff in neue Produktionsprozesse eingehen.

Medienauftrag – markieren: Suche im Bild unterschiedliche Formen und Größen. Überlege, welche Sortieraufgaben vor einer hochwertigen Wiederverwertung nötig sein könnten.

Recyclingfähigkeit

Recyclingfähigkeit beschreibt, wie gut ein Produkt oder Werkstoff technisch gesammelt, getrennt, aufbereitet und erneut als Material genutzt werden kann.

Hohe Recyclingfähigkeit hängt nicht nur vom Werkstoff ab. Auch die Konstruktion ist wichtig.

Gut lösbare Verbindungen erleichtern die Trennung.
Sortenreine Bauteile sind oft leichter aufzubereiten als untrennbare Verbunde.
Beschichtungen, Klebstoffe und Fremdstoffe können Recycling erschweren.
Kennzeichnungen können Sortierung unterstützen.

Merksatz: Ein theoretisch recycelbarer Werkstoff ist nicht automatisch in jedem Produkt gut recyclingfähig.

Lebensdauer

Die Lebensdauer ist die Zeit, in der ein Produkt seine geforderte Funktion zuverlässig erfüllen kann.

Eine längere Lebensdauer kann den Ressourcenverbrauch pro Nutzungsjahr senken. Das gilt besonders, wenn dadurch weniger Ersatzprodukte benötigt werden.

Die Lebensdauer hängt unter anderem ab von:

Belastung.
Korrosion.
Verschleiß.
Alterung.
Wartung.
Reparatur.
Konstruktion.
Nutzungsbedingungen.

Reparierbarkeit

Reparierbarkeit beschreibt, wie gut ein defektes Produkt geprüft, geöffnet, zerlegt, repariert und wieder zusammengesetzt werden kann.

Bildlegende: Reparatur kann die Nutzungsdauer von Produkten verlängern und Materialflüsse verändern.

Medienauftrag – beobachten und übertragen: Nenne drei konstruktive Merkmale, die eine Reparatur erleichtern würden. Beispiele: lösbare Schrauben, austauschbare Module, zugängliche Bauteile.

Ressourcenverbrauch

Ressourcenverbrauch umfasst die Nutzung von Rohstoffen, Energie, Wasser, Fläche und weiteren natürlichen Ressourcen.

Beim Werkstoffvergleich fragst Du deshalb nicht nur: „Wie viel Material wird gebraucht?“

Du fragst auch:

Woher kommt der Rohstoff?
Wie aufwendig ist die Gewinnung?
Wie viel Energie wird in den Prozessschritten benötigt?
Welche Transporte entstehen?
Wie lange wird das Produkt genutzt?
Kann es repariert werden?
Was geschieht nach der Nutzung?

Lebenszyklus statt Einzelblick

Lebenszyklus eines technischen Produkts

Ein vereinfachter Lebenszyklus kann so gelesen werden:

Rohstoffgewinnung	→	Werkstoffherstellung	→	Bauteilfertigung	→	Transport	→	Nutzung	→	Reparatur	→	Wiederverwendung oder Recycling
Primär- oder Sekundärrohstoff	→	Energie und Prozesse	→	Formen, Fügen, Beschichten	→	Strecke und Verkehrsmittel	→	Funktion und Lebensdauer	→	Ersatz einzelner Teile	→	Rückgewinnung von Material

Wichtig: Die Umweltwirkung liegt nicht nur an einer Stelle. Eine Werkstoffwahl verändert oft mehrere Lebensphasen gleichzeitig.

Bildlegende: Fünf typische Phasen einer Lebenszyklusbetrachtung: Rohstoff, Herstellung, Transport, Nutzung sowie Entsorgung oder Recycling.

Medienauftrag – vergleichen: Vergleiche diese Grafik mit der vorherigen Lebenszyklusgrafik. Welche Schritte werden zusammengefasst? Welche Unterschiede erkennst Du?

Lebenszyklusgrafik Aluminium

Primärpfad	Sekundärpfad
Bauxit	Aluminiumschrott
↓	↓
Aufbereitung zu Aluminiumoxid	Sortieren und Aufbereiten
↓	↓
Elektrolytische Aluminiumgewinnung	Einschmelzen und Legieren
↓	↓
Halbzeug	Halbzeug
↓	↓
Produkt	Produkt

Fachlicher Vergleich: Beim Primärpfad muss Aluminium aus Bauxit neu gewonnen werden. Beim Sekundärpfad wird bereits vorhandenes Aluminium zurückgeführt. Der Energiebedarf, die Materialverluste und die Qualität hängen vom konkreten Prozess und von der Sortenreinheit ab.

Bildlegende: Darstellung von Prozessschritten der Aluminiumherstellung. Auch fremdsprachige Grafiken können technische Informationen liefern.

Medienauftrag – Fehler finden: Suche mindestens drei Stellen, die Du ohne Sprachkenntnisse über Symbole oder Prozesspfeile verstehen kannst. Markiere außerdem Informationen, die ohne Legende unsicher bleiben.

Lebenszyklusgrafik Stahl

Route aus Primärrohstoffen	Route mit hohem Schrottanteil
Eisenerz	Stahlschrott
↓	↓
Aufbereitung	Sortierung
↓	↓
Reduktion und Stahlerzeugung	Einschmelzen und Stahlerzeugung
↓	↓
Walzen und Formen	Walzen und Formen
↓	↓
Bauteil	Bauteil

Bildlegende: Vereinfachte Skizze der Rohstahlerzeugung aus Eisenerz.

Medienauftrag – beobachten: Finde die Rohstoffe, Energiezufuhren und Zwischenprodukte. Formuliere zwei Fragen, die Du für eine vollständige Nachhaltigkeitsbewertung zusätzlich klären müsstest.

Lebenszyklusgrafik Kunststoff

Kunststoffe sind keine einheitliche Werkstoffgruppe. Unterschiede bestehen unter anderem bei Polymerart, Additiven, Füllstoffen, Farbe und Verbundaufbau.

Bildlegende: Allgemeines Schema primärer und sekundärer Recyclingprozesse.

Bildlegende: Kunststoffsortierung kann manuell oder automatisiert erfolgen. Störstoffe und Materialmischungen beeinflussen die Qualität.

Medienauftrag – vergleichen: Vergleiche beide Abbildungen. Welche Prozessschritte sind in der schematischen Grafik leicht erkennbar? Welche technischen Schwierigkeiten zeigt das Foto deutlicher?

Rohstoffräume und Lieferketten

Bauxit als Beispiel

Bildlegende: Verteilung der weltweiten Bauxitproduktion im Datenjahr 2016. Die Grafik ist keine aktuelle Produktionsstatistik.

Medienauftrag – Datenalter prüfen: Notiere das Datenjahr. Erkläre, warum eine Werkstoffentscheidung nicht mit veralteten Produktionsanteilen als aktuellem Beweis begründet werden darf.

Bildlegende: Ehemalige oder stillgelegte Bauxitgewinnung zeigt sichtbar, dass Rohstoffgewinnung Landschaft verändert.

Medienauftrag – beobachten statt urteilen: Beschreibe nur das Sichtbare. Trenne Beobachtung und Bewertung in zwei Sätze.

Eisenerz als Beispiel

Bildlegende: Weltkarte der Eisenerzproduktion auf Basis von Daten aus 2013/2015.

Medienauftrag – Karte lesen: Nenne drei Regionen mit hoher dargestellter Produktion. Prüfe anschließend das Datenjahr und formuliere einen Satz zur begrenzten Aktualität.

Bildlegende: Tagebau verändert große Materialmengen. Für eine Bewertung müssen zusätzlich Energie, Wasser, Flächenwirkung, Transport und Rekultivierung betrachtet werden.

Historische Rohstoffkarte als Medienkritik

Bildlegende: Historische Weltkarte zur Eisen- und Stahlproduktion sowie zu Transportwegen im Jahr 1963.

Fehler-finden-Aufgabe: Die Aussage „Diese Karte zeigt die heutigen globalen Eisenerzströme“ ist falsch. Begründe den Fehler mit mindestens zwei Hinweisen aus der Bildlegende oder Datierung.

Selbstkontrolle: Die Karte bezieht sich auf 1963. Produktionsmengen, Länderanteile, Handelswege, Technik und politische Rahmenbedingungen können sich seitdem stark verändert haben. Die Karte eignet sich zur historischen Analyse, nicht als aktuelle Marktkarte.

Energie in der Werkstoffentscheidung

Energie wird in fast allen Lebensphasen benötigt.

Lebensphase	Typische Energieanwendung	Prüf-Frage
Rohstoffgewinnung	Abbau, Förderung, Pumpen	Wie aufwendig ist die Gewinnung?
Werkstoffherstellung	Erhitzen, Schmelzen, Elektrolyse, Pressen	Welcher Prozess bestimmt den Energiebedarf?
Fertigung	Sägen, Umformen, Spritzgießen, Schweißen	Welche Fertigungsroute ist nötig?
Transport	Schiff, Bahn, Lkw	Welche Masse wird über welche Strecke bewegt?
Nutzung	Betrieb, Wartung	Beeinflusst die Werkstoffmasse den Energieverbrauch?
Reparatur	Ersatzteile, Werkzeuge, Transport	Verhindert Reparatur eine Neuanschaffung?
Recycling	Sortieren, Zerkleinern, Schmelzen, Extrudieren	Wie viel Material bleibt im Kreislauf?

Merksatz: „Recycling braucht keine Energie“ ist falsch. Recycling benötigt Energie. Es kann trotzdem gegenüber einer vollständigen Neugewinnung Vorteile haben.

Energiepfade vergleichen

Primärmaterial	Sekundärmaterial
Rohstoff abbauen	Altprodukt erfassen
↓	↓
Rohstoff aufbereiten	sortieren
↓	↓
Werkstoff neu erzeugen	Material aufbereiten
↓	↓
Bauteil fertigen	Bauteil fertigen

Simulationsauftrag: Streiche gedanklich einen Schritt, der beim Sekundärpfad entfallen kann. Ergänze danach einen neuen Schritt, der nur wegen Sammlung und Sortierung nötig wird.

Transport und Werkstoffwahl

Transportwirkungen hängen nicht nur von der Entfernung ab.

Wichtige Einflussgrößen sind:

Masse des Materials.
Transportdistanz.
Verkehrsmittel.
Auslastung.
Zahl der Umschläge.
Kühlung oder besondere Transportbedingungen.
Lieferkette vom Rohstoff bis zum fertigen Bauteil.

Bildlegende: Seetransport ermöglicht große Transportmengen über weite Strecken.

Bildlegende: Güterbahnen sind ein weiterer Teil internationaler oder regionaler Lieferketten.

Medienauftrag – vergleichen: Ein Foto allein zeigt nicht, welches Verkehrsmittel pro transportierter Tonne die geringere Umweltwirkung hat. Nenne mindestens vier Daten, die für einen fairen Vergleich fehlen.

Hilfe: Denke an Entfernung, Masse, Energiequelle, Auslastung, Rückfahrten und Umschlag.

Transportdiagramm

Rohstofflagerstätte	→	Hafen oder Bahnterminal	→	Werkstoffwerk	→	Bauteilhersteller	→	Montage	→	Nutzung	→	Rücknahme
Primärrohstoff	→	Umschlag	→	Halbzeug	→	Bauteil	→	Produkt	→	Wartung	→	Recyclingbetrieb

Prüfidee: Eine lange Lieferkette ist nicht automatisch schlechter als eine kurze. Entscheidend ist die gesamte Prozesskette mit Transportmenge, Transportart, Energie und Materialverlusten.

Recyclingpfade

Metallrecycling

Bildlegende: Altmetalle können als Sekundärrohstoffe gesammelt und aufbereitet werden.

Ein vereinfachter Metallrecyclingpfad:

Altprodukt	→	Demontage	→	Sortierung	→	Zerkleinerung	→	Aufbereitung	→	Schmelze	→	neues Halbzeug

Fehler-finden-Aufgabe: „Metallrecycling erzeugt immer exakt denselben Werkstoff ohne Verluste.“ Erkläre, warum diese Aussage zu einfach ist.

Selbstkontrolle: Legierungen können vermischt sein. Beschichtungen und Fremdstoffe müssen entfernt werden. Es können Materialverluste entstehen. Für bestimmte Anwendungen ist eine definierte Werkstoffqualität nötig.

Kunststoffrecycling

Bildlegende: Beispielhafte Prozessfolge von Sammlung und Sortierung bis zur Aufbereitung.

Ein vereinfachter mechanischer Recyclingpfad:

Sammlung	→	Sortierung	→	Waschen	→	Zerkleinern	→	Trennen	→	Aufschmelzen	→	Rezyklat

Prüf-Frage: Warum kann ein Bauteil aus einem einzigen gut gekennzeichneten Kunststoff einfacher zu recyceln sein als ein verklebter Mehrschichtverbund?

Reparaturpfad vor Recycling

Defekt	→	Diagnose	→	Bauteil zugänglich?	→	Ersatzteil verfügbar?	→	Reparatur	→	weitere Nutzung
ja	→	Fehler finden	→	lösbare Verbindung	→	passend	→	Funktion prüfen	→	Lebensdauer verlängern

Wichtig: Reparatur und Recycling sind nicht dasselbe. Reparatur erhält möglichst viel vom vorhandenen Produkt. Recycling gewinnt Material zurück.

Kreislaufwirtschaft

Videoauftrag – beobachten: Notiere drei Strategien, die vor dem Recycling ansetzen. Prüfe danach, welche davon die Lebensdauer eines Produkts verlängern.

Videoauftrag – vergleichen: Erstelle beim Ansehen eine zweispaltige Tabelle: „Schritt im Video“ und „möglicher Ressourcenbezug“. Prüfe nach dem Video, ob Sammlung, Sortierung und Aufbereitung getrennt vorkommen.

Vertiefung E-Niveau: Das Video behandelt Grundlagen der Wirkungsabschätzung in Ökobilanzen. Notiere zwei Gründe, warum eine einzige Zahl nicht jede Umweltwirkung vollständig beschreiben kann.

Technische Eignung prüfen

Eine nachhaltige Werkstoffentscheidung beginnt mit der Funktion.

Muss-Kriterien dürfen nicht durch einen guten Umweltwert ersetzt werden. Ein Werkstoff, der die geforderte Funktion nicht sicher erfüllt, ist für diese Aufgabe ungeeignet.

Typische technische Kriterien:

Festigkeit.
Steifigkeit.
Dichte.
Korrosionsbeständigkeit.
Temperaturbeständigkeit.
Verschleißbeständigkeit.
elektrische Leitfähigkeit.
Bearbeitbarkeit.
Fügbarkeit.
Maßhaltigkeit.

Beispiel: Gehäuse einer Schul-Messstation

Das Gehäuse soll im Außenbereich eingesetzt werden.

Anforderungen:

Es muss Spritzwasser und Witterung standhalten.
Es muss Bauteile vor mechanischer Belastung schützen.
Es soll geöffnet und repariert werden können.
Es soll mit schulüblichen, freigegebenen Verfahren herstellbar sein.
Materialeinsatz und Kosten sollen begründet werden.
Am Nutzungsende soll eine möglichst sinnvolle Verwertung möglich sein.

Verglichen werden:

Aluminiumblech.
verzinktes Stahlblech.
Recycling-HDPE.

Werkstoffprofil Aluminiumblech

Technik: geringe Dichte, bei geeigneter Konstruktion ausreichend steif, natürliche Oxidschicht bietet einen gewissen Korrosionsschutz.

Ökologie: Primäraluminium benötigt aufwendige Rohstoffgewinnung und energieintensive Herstellungsprozesse. Sekundäraluminium kann Primärrohstoffe ersetzen, benötigt aber Sammlung, Sortierung und Aufbereitung.

Wirtschaft: Materialpreis, Blechdicke, Fertigung und Ausschuss beeinflussen die Kosten. Marktpreise können schwanken.

Konstruktion: Schraubbare Gehäuse können Reparatur und Demontage erleichtern.

Werkstoffprofil verzinktes Stahlblech

Technik: hohe Steifigkeit und Festigkeit bei geeigneter Geometrie. Stahl ist dichter als Aluminium. Die Verzinkung schützt die Oberfläche gegen Korrosion, kann aber bei Beschädigung oder ungeeigneter Ausführung Grenzen haben.

Ökologie: Stahl kann aus Eisenerz und mit Schrottanteilen hergestellt werden. Schrott ist ein wichtiger Sekundärrohstoff. Legierungen, Beschichtungen und Sortenreinheit beeinflussen Recyclingprozesse.

Wirtschaft: Rohstoffpreis, Blechdicke, Zuschnitt, Umformung, Korrosionsschutz und Wartung beeinflussen Gesamtkosten.

Konstruktion: lösbare Verbindungen erleichtern Reparatur und Demontage.

Werkstoffprofil Recycling-HDPE

Technik: geringe Dichte, korrosionsbeständig gegenüber Wasser, elektrisch isolierend. Steifigkeit, Wärmeformbeständigkeit und Alterung können je nach Werkstoffqualität und Bauteilgeometrie begrenzend sein.

Ökologie: Rezyklat nutzt einen Sekundärrohstoff. Die Qualität hängt von Sortierung, Verschmutzung, Additiven und Polymerreinheit ab.

Wirtschaft: Form, Stückzahl und Fertigungsverfahren beeinflussen die Kosten stark. Ein einfaches Plattenbauteil wird anders bewertet als ein Spritzgussteil mit Werkzeugkosten.

Konstruktion: mechanisch lösbare Verbindungen können Reparatur und sortenreine Trennung erleichtern.

Ökologische Kriterien

Ökologische Bewertung bedeutet nicht „Naturmaterial gut, Metall schlecht“ oder „Recyclingmaterial immer gut“.

Du prüfst konkrete Zusammenhänge.

Kriterium	Leitfrage
Primärrohstoffanteil	Wie viel neuer Rohstoff muss gewonnen werden?
Sekundärrohstoffanteil	Wie viel Material stammt aus Rückgewinnung?
Ressourcenverbrauch	Welche Rohstoffe, Energie, Wasser und Flächen werden beansprucht?
Lebensdauer	Wie lange erfüllt das Produkt seine Funktion?
Reparierbarkeit	Können defekte Teile ausgetauscht werden?
Recyclingfähigkeit	Kann das Material getrennt und hochwertig aufbereitet werden?
Transport	Welche Mengen werden wie weit und mit welchem Verkehrsmittel bewegt?
Materialmenge	Kann durch Formgebung Material eingespart werden, ohne Funktion zu verlieren?

Wirtschaftliche Kriterien

Wirtschaftliche Bewertung betrachtet mehr als nur den Einkaufspreis.

Kostenart	Beispiel
Materialkosten	Preis des Halbzeugs
Fertigungskosten	Zuschnitt, Umformung, Fügen
Werkzeugkosten	Formen, Vorrichtungen, Spezialwerkzeuge
Wartungskosten	Pflege, Korrosionsschutz
Reparaturkosten	Arbeitszeit und Ersatzteile
Ausfallkosten	Stillstand bei Defekt
End-of-Life-Kosten	Demontage, Rücknahme, Sortierung

Merksatz: Ein günstiger Werkstoff kann über die gesamte Lebensdauer teurer werden. Ein teurer Werkstoff kann sich lohnen, wenn Lebensdauer oder Wartung besser zur Aufgabe passen. Das muss im Einzelfall geprüft werden.

Kriterienmatrix

Eine Kriterienmatrix hilft, Argumente sichtbar zu machen. Sie ersetzt aber nicht das Denken.

Regel 1: Zuerst Muss-Kriterien prüfen.

Regel 2: Kriterien definieren.

Regel 3: Gewichtung begründen.

Regel 4: Datenquelle oder Annahme angeben.

Regel 5: Ergebnis als begründete Entscheidung formulieren, nicht als allgemeines Werkstoffurteil.

Beispielmatrix für das Messstationsgehäuse

Wichtig: Die Punktwerte in dieser Tabelle sind didaktische Annahmen für diese Aufgabe. Sie sind keine allgemeingültigen Materialwerte.

Bewertung: 1 = erfüllt die Aufgabenannahme schwach, 2 = eher schwach, 3 = eher stark, 4 = stark.

Kriterium	Gewicht	Aluminiumblech	verzinktes Stahlblech	Recycling-HDPE
Technische Eignung	25 %	4	4	3
Lebensdauer im Außeneinsatz	15 %	4	3	3
Reparierbarkeit	15 %	4	4	3
Ressourcenverbrauch im gewählten Beschaffungspfad	20 %	3	3	4
Recyclingfähigkeit des konkreten Bauteils	15 %	4	4	3
Gesamtkosten im Schulprojekt	10 %	3	4	3

Prüfauftrag: Verändere eine Gewichtung und erkläre, warum sich dadurch die Entscheidung ändern kann.

Lösungsweg: Wenn technische Eignung stärker gewichtet wird, gewinnen technische Unterschiede an Bedeutung. Wenn Ressourcenverbrauch oder Reparierbarkeit stärker gewichtet werden, können andere Werkstoffoptionen besser abschneiden. Die Gewichtung muss zur konkreten Aufgabe passen.

Gewichtete Auswertung als Rechenweg

Beispiel für ein Kriterium:

Punkte × Gewicht = Teilwert

Bei 4 Punkten und 25 % Gewicht:

4 × 0,25 = 1,00

Bei 3 Punkten und 25 % Gewicht:

3 × 0,25 = 0,75

Achtung: Ein hoher Summenwert darf ein nicht erfülltes Muss-Kriterium nicht „wegmitteln“.

Zielkonflikte

Technische Entscheidungen enthalten oft Zielkonflikte.

Ziel A	möglicher Konflikt	Ziel B
geringe Masse	dünnere Bauteile können weniger steif sein	hohe Steifigkeit
dauerhafte Klebeverbindung	schwerer demontierbar	hohe Reparierbarkeit
geringer Einkaufspreis	kann höhere Wartung verursachen	geringe Lebenszykluskosten
hoher Recyclinganteil	Werkstoffqualität muss zur Funktion passen	technische Sicherheit
sehr lange Lebensdauer	kann höheren Materialeinsatz verlangen	geringer Materialeinsatz

Prüfungssprache: Statt „Werkstoff A ist gut“ formulierst Du: „Für diese Anwendung ist Werkstoff A beim Kriterium X vorteilhaft, während Werkstoff B beim Kriterium Y Vorteile hat.“

Prüfschema für eine Werkstoffentscheidung

Nutze im Test oder in der Klassenarbeit dieses Schema:

Anforderung nennen: Was muss das Bauteil können?
Werkstoffoptionen nennen: Welche Werkstoffe werden verglichen?
Mindestens vier Kriterien festlegen: technisch, ökologisch und wirtschaftlich.
Daten oder Annahmen zuordnen: Welche Information spricht für oder gegen eine Option?
Zielkonflikte erklären: Wo widersprechen sich Ziele?
Entscheidung begründen: Für genau diese Anwendung.
Grenzen nennen: Welche Daten fehlen oder könnten das Ergebnis verändern?

Prüfungsnahes Beispiel

Aufgabe: Eine Schule benötigt 40 Gehäuse für Außensensoren. Zur Wahl stehen Aluminiumblech, verzinktes Stahlblech und Recycling-HDPE. Bewerte die Werkstoffentscheidung anhand von mindestens vier Kriterien.

Möglicher Aufbau einer Antwort:

Technische Eignung: Alle drei Werkstoffe können bei geeigneter Konstruktion grundsätzlich verwendet werden. Steifigkeit, Bauteildicke und Witterungsbeständigkeit müssen zur Geometrie passen.
Lebensdauer: Korrosion, UV-Alterung, mechanische Belastung und Reparatur beeinflussen die reale Lebensdauer.
Ressourcenverbrauch: Entscheidend ist, ob Primär- oder Sekundärmaterial genutzt wird und wie aufwendig Herstellung und Fertigung sind.
Reparierbarkeit: Schraubbare Gehäuse mit austauschbaren Teilen sind günstiger für Wartung als dauerhaft verklebte Baugruppen.
Recyclingfähigkeit: Sortenreine, gut trennbare Bauteile erleichtern die stoffliche Verwertung.
Wirtschaftlichkeit: Nicht nur Materialpreis, sondern auch Fertigung, Wartung und Ersatz sind zu berücksichtigen.
Entscheidung: Eine begründete Wahl muss sich auf die konkrete Gewichtung und die vorhandenen Daten stützen. Ohne Angaben zu Stückkosten, Materialherkunft und geforderter Lebensdauer ist keine allgemeingültige Siegerlösung fachlich sauber.

Medienlabor: beobachten, markieren, vergleichen, messen, simulieren, Fehler finden

Station 1 – Beobachten: Rohstoffgewinnung

Auftrag: Beschreibe fünf sichtbare technische Elemente. Verwende nur Beobachtungen, noch keine Bewertung.

Station 2 – Markieren: Materialströme

Auftrag: Markiere gedanklich Eingänge, Bestände und Ausgänge. Ordne Primärrohstoff, Produkt, Abfall und Recyclingstrom zu.

Station 3 – Vergleichen: Primär und Sekundär

Auftrag: Vergleiche die dargestellten Rohstoffquellen. Prüfe zuerst Zeitraum und Raumbezug. Formuliere danach eine Aussage, die nur für die gezeigten Daten gilt.

Station 4 – Messen: Lebenszyklusgrafik

Auftrag: Zähle die dargestellten Lebensphasen. Miss auf dem Bildschirm ungefähr, welcher Anteil der Grafik auf Herstellung, Nutzung und Ende der Nutzung entfällt. Erkläre, warum Bildfläche nicht automatisch Umweltwirkung bedeutet.

Station 5 – Simulieren: Lebensdauer

Angenommen, Produkt A hält 4 Jahre und Produkt B 8 Jahre. Beide erfüllen dieselbe Funktion.

Simulation: Für 16 Nutzungsjahre wären bei idealisierten Bedingungen vier Exemplare von A oder zwei Exemplare von B nötig.

Transfer: Erkläre, warum daraus noch nicht automatisch folgt, dass B ökologisch besser ist. Berücksichtige Materialmenge, Reparatur, Herstellung und Recycling.

Station 6 – Fehler finden: Recyclingzeichen

Fehlerhafte Aussage: „Das Recyclingzeichen beweist, dass jedes damit markierte Produkt vollständig recycelt wird.“

Auftrag: Widerlege die Aussage mit zwei Fachargumenten.

Selbstkontrolle: Ein Symbol sagt allein nicht, ob lokale Sammel- und Recyclingwege existieren. Außerdem können Verbunde, Verunreinigungen, Additive und Konstruktion die tatsächliche Recyclingfähigkeit begrenzen.

Station 7 – Vergleichen: Sortierung

Auftrag: Vergleiche manuelle und automatisierte Sortierung. Nenne jeweils einen möglichen Vorteil und eine Grenze.

Station 8 – Transport bewerten

Auftrag: Erstelle eine Vergleichstabelle mit mindestens vier Variablen, die für eine Transportbewertung benötigt werden. Verwende keine pauschale Aussage wie „Bahn immer gut“ oder „Schiff immer schlecht“.

Typische Denkfehler

Denkfehler	Fachlich bessere Formulierung
Recyclingmaterial ist immer nachhaltig.	Sekundärrohstoffe können Primärrohstoffe ersetzen, müssen aber technisch geeignet und aufbereitbar sein.
Der leichteste Werkstoff ist immer die beste Wahl.	Geringe Masse ist nur ein Kriterium neben Festigkeit, Lebensdauer, Reparatur und Kosten.
Lokaler Werkstoff ist automatisch umweltfreundlicher.	Entfernung ist wichtig, aber Transportart, Masse und Herstellungsprozess müssen ebenfalls betrachtet werden.
Hohe Recyclingfähigkeit löst alle Umweltprobleme.	Recycling ist ein Teil des Lebenszyklus. Vermeidung, lange Nutzung, Reparatur und Wiederverwendung sind ebenfalls relevant.
Der billigste Werkstoff ist wirtschaftlich am besten.	Lebenszykluskosten können Wartung, Ausfall, Reparatur und Entsorgung einschließen.
Eine Punktmatrix liefert eine objektive Wahrheit.	Ergebnis und Rangfolge hängen von Kriterien, Daten, Gewichtung und Annahmen ab.

Lernhilfe: Satzstarter für Bewertungen

„Technisch spricht für …, dass …“
„Ökologisch ist zu berücksichtigen, dass …“
„Wirtschaftlich verändert sich die Bewertung, wenn …“
„Beim Kriterium Lebensdauer …“
„Die Recyclingfähigkeit hängt davon ab, ob …“
„Ein Zielkonflikt besteht zwischen … und …“
„Unter der Annahme, dass …, ist … für diese Anwendung plausibel.“
„Für eine sichere Entscheidung fehlt noch die Information über …“

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Diesen aiMOOC als Battle spielen

Was ist ein Primärrohstoff? (Ein neu aus natürlichen Vorkommen oder biologischen Quellen gewonnener Rohstoff) (!Ein bereits recycelter Rohstoff) (!Ein fertiges Ersatzteil) (!Ein repariertes Produkt)

Was ist ein Sekundärrohstoff? (Ein aus Rückgewinnung oder Aufbereitung stammender Rohstoff) (!Ein ungenutztes Erzvorkommen) (!Ein Werkzeug zur Demontage) (!Ein ausschließlich biologischer Werkstoff)

Welche Aussage beschreibt Recyclingfähigkeit am besten? (Sie hängt von Werkstoff und Produktkonstruktion ab) (!Sie hängt nur von der Farbe ab) (!Sie ist bei allen Metallen gleich) (!Sie entspricht immer hundert Prozent)

Warum ist eine lange Lebensdauer für die Bewertung wichtig? (Sie kann den Bedarf an Ersatzprodukten über die Nutzungszeit verringern) (!Sie macht Transport grundsätzlich unnötig) (!Sie verhindert jede Reparatur) (!Sie ersetzt technische Anforderungen)

Was verbessert häufig die Reparierbarkeit? (Lösbare Verbindungen und zugängliche Bauteile) (!Dauerhaft vergossene Baugruppen) (!Untrennbare Klebeverbunde) (!Fehlende Ersatzteile)

Welche Größe gehört zum Ressourcenverbrauch? (Energiebedarf) (!Schriftart auf der Verpackung) (!Produktname) (!Werbeslogan)

Was sollte vor einer gewichteten Kriterienmatrix geprüft werden? (Ob Muss-Kriterien erfüllt sind) (!Ob der schönste Werkstoff gewinnt) (!Ob nur der Preis betrachtet wird) (!Ob alle Gewichte gleich groß sind)

Warum reicht der Einkaufspreis für eine wirtschaftliche Bewertung nicht aus? (Wartung Reparatur Fertigung und Lebensdauer können weitere Kosten verursachen) (!Weil Preise technisch bedeutungslos sind) (!Weil Reparaturen immer kostenlos sind) (!Weil Material nie bezahlt werden muss)

Welche Aussage zu Transport ist fachlich korrekt? (Entfernung Masse Verkehrsmittel und Auslastung beeinflussen die Bewertung) (!Nur die Entfernung ist wichtig) (!Schiffe sind immer schlechter als Lkw) (!Lokale Produkte verursachen nie Transportwirkungen)

Wie sollte eine prüfungsnahe Werkstoffentscheidung formuliert werden? (Mit mehreren Kriterien Zielkonflikten Annahmen und einer begründeten Entscheidung für die konkrete Anwendung) (!Mit einem einzigen Gut oder Schlecht Urteil) (!Nur mit dem Materialpreis) (!Nur mit der Dichte des Werkstoffs)

Memory

Primärrohstoff	neu gewonnener Rohstoff
Sekundärrohstoff	zurückgewonnener Rohstoff
Recyclingfähigkeit	Eignung zur stofflichen Rückgewinnung
Lebensdauer	Zeit der zuverlässigen Nutzung
Reparierbarkeit	Möglichkeit zur Instandsetzung
Ressourcenverbrauch	Einsatz von Rohstoffen Energie Wasser und Fläche

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Rohstoffgewinnung	Beginn eines Primärpfads
Herstellung	Werkstoff und Bauteil entstehen
Nutzung	Produkt erfüllt seine Funktion
Reparatur	Funktion wird nach Defekt wiederhergestellt
Recycling	Material wird zurückgewonnen

Kreuzworträtsel

Bauxit	Welcher Rohstoff ist ein wichtiger Ausgangsstoff für Aluminium?
Recycling	Wie heißt die stoffliche Rückgewinnung aus Altmaterial?
Reparatur	Wie heißt die Wiederherstellung der Funktion eines defekten Produkts?
Lebensdauer	Wie heißt die Zeit der zuverlässigen Nutzung eines Produkts?
Transport	Welcher Lebenszyklusbereich verbindet räumlich getrennte Prozessschritte?
Stahl	Welcher Metallwerkstoff wird häufig aus Eisenerz und Schrott hergestellt?

LearningApps

Lückentext

Ein

wird neu aus natürlichen oder biologischen Quellen gewonnen. Ein

stammt aus Rückgewinnung oder Aufbereitung. Die

beschreibt, wie gut Material wieder in einen Stoffkreislauf gelangen kann. Eine hohe

kann die Nutzungsdauer eines Produkts verlängern. Die

beeinflusst, wie häufig ein Produkt ersetzt werden muss. Zum

gehören neben Rohstoffen auch Energie, Wasser und Fläche. Eine Werkstoffentscheidung beginnt mit der

für die geforderte Funktion. Danach werden ökologische und

Folgen betrachtet. Eine

macht mehrere Bewertungsmaßstäbe sichtbar. Eine fachlich gute Entscheidung nennt außerdem

und Annahmen.

Wiederholung mit Sofortkontrolle

Kurzcheck 1

Aussage: „Sekundärrohstoff bedeutet automatisch, dass ein Produkt vollständig aus Recyclingmaterial besteht.“

Lösung: Falsch. Sekundärrohstoff bezeichnet zurückgewonnenes Material. Ein Produkt kann daraus vollständig oder nur teilweise bestehen.

Kurzcheck 2

Aussage: „Ein technisch ungeeigneter Werkstoff kann durch eine hohe Recyclingfähigkeit trotzdem zur besten Lösung werden.“

Lösung: In einer sicherheits- oder funktionsrelevanten Anwendung nein. Muss-Kriterien müssen zuerst erfüllt sein.

Kurzcheck 3

Aussage: „Reparierbarkeit kann wirtschaftliche und ökologische Folgen gleichzeitig beeinflussen.“

Lösung: Richtig. Reparatur kann Ersatzbeschaffung, Materialeinsatz, Ausfallzeiten und Kosten verändern.

Offene Aufgaben

Leicht

Lebenszyklus markieren: Wähle einen Alltagsgegenstand und zeichne sechs Lebensphasen von Rohstoff bis Recycling.
Fachbegriffe erklären: Erstelle sechs Lernkarten zu Primärrohstoff, Sekundärrohstoff, Recyclingfähigkeit, Lebensdauer, Reparierbarkeit und Ressourcenverbrauch.
Medienanalyse Rohstoff: Wähle ein Wikimedia-Commons-Bild aus diesem aiMOOC und trenne fünf Beobachtungen von drei Bewertungen.
Reparierbarkeit untersuchen: Untersuche einen ungefährlichen Alltagsgegenstand ohne Demontage. Notiere sichtbare Schrauben, Clips, Klebestellen und mögliche Wartungsöffnungen.

Standard

Transportvergleich: Entwickle ein Datenschema, mit dem Schiff, Bahn und Lkw für eine konkrete Lieferkette verglichen werden könnten.
Recyclingpfad zeichnen: Erstelle ein Flussdiagramm für Aluminium, Stahl oder Kunststoff mit mindestens sieben Stationen.
Kriterienmatrix erstellen: Vergleiche drei Werkstoffe für ein ungefährliches Schulprodukt mit mindestens sechs Kriterien und begründe Deine Gewichtung.
Fehleranalyse Werbung: Suche eine Werbeaussage wie recycelbar, nachhaltig oder ressourcenschonend und formuliere fünf Rückfragen, die für eine technische Bewertung nötig wären.

Schwer

Werkstoffentscheidung Außengehäuse: Bewerte Aluminiumblech, verzinktes Stahlblech und Recycling-HDPE für ein Außengehäuse anhand von mindestens sechs Kriterien. Nenne zwei Zielkonflikte.
Lebensdauer simulieren: Vergleiche zwei Produktvarianten über 20 Nutzungsjahre. Variiere Lebensdauer und Reparaturhäufigkeit und erkläre, wann sich Deine Entscheidung ändert.
Rohstoffdaten kritisch prüfen: Vergleiche eine ältere Rohstoffkarte aus diesem aiMOOC mit einer aktuellen seriösen Quelle. Dokumentiere, welche Aussagen gleich bleiben und welche nicht mehr gelten.
Technische Entscheidung präsentieren: Erstelle eine dreiminütige Präsentation mit Kriterienmatrix, Lebenszyklusgrafik, Recyclingpfad und begründeter Entscheidung. Formuliere auch, welche Daten noch fehlen.

Lernkontrolle

Transferaufgabe Trinkflasche: Eine Mehrwegflasche soll zehn Jahre genutzt werden. Entwickle vier Kriterien, mit denen Edelstahl, Aluminium und Kunststoff verglichen werden könnten. Begründe, welche zusätzlichen Daten Du vor einer Entscheidung brauchst.
Zielkonflikt Konstruktion: Ein Hersteller möchte ein Gehäuse vollständig verkleben, weil das schnell montierbar ist. Bewerte diese Lösung in Bezug auf Fertigung, Reparierbarkeit, Lebensdauer und Recyclingfähigkeit.
Sekundärrohstoff bewerten: Ein Bauteil soll künftig zu 80 Prozent aus Sekundärrohstoff bestehen. Erkläre, warum zusätzlich technische Prüfungen der Werkstoffqualität notwendig bleiben.
Transport und Masse: Werkstoff A ist leichter, wird aber über eine längere Lieferkette transportiert. Werkstoff B ist schwerer, wird regional beschafft. Entwickle einen fairen Vergleich, ohne vorschnell einen Sieger zu nennen.
Kriteriengewichtung: In einer Matrix werden technische Eignung, Ressourcenverbrauch, Reparierbarkeit, Recyclingfähigkeit und Kosten gleich gewichtet. Erkläre, in welchen Anwendungen eine andere Gewichtung sinnvoll sein könnte.
Lebenszyklusdenken: Ein Produkt verbraucht in der Herstellung mehr Material, hält dafür doppelt so lange. Entwickle eine Bewertungsstrategie und nenne mindestens drei zusätzliche Informationen.
Prüfungsaufgabe Werkstoffwahl: Bewerte eine vorgegebene Werkstoffentscheidung anhand von mindestens vier Kriterien. Nutze die Struktur Anforderung – Daten – Zielkonflikt – Entscheidung – Unsicherheit.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema ist wichtig, dass Du:

die sechs zentralen Fachbegriffe sicher und präzise erklären kannst.
Primär- und Sekundärrohstoff unterscheiden kannst.
einen Lebenszyklus mit Rohstoffgewinnung, Herstellung, Transport, Nutzung, Reparatur und Recycling beschreiben kannst.
technische Muss-Kriterien von bewertbaren Wunsch-Kriterien unterscheiden kannst.
mindestens vier Kriterien für eine Werkstoffentscheidung festlegen kannst.
technische, ökologische und wirtschaftliche Folgen getrennt und anschließend gemeinsam bewerten kannst.
eine Kriterienmatrix lesen und selbst erstellen kannst.
Gewichtungen begründen kannst.
Zielkonflikte erkennst.
Datenalter, Datenquelle und fehlende Informationen benennen kannst.
einfache Gut-Schlecht-Urteile vermeidest.
eine Entscheidung mit Fachbegriffen und Bezug zur konkreten Anwendung begründest.
Sicherheitsregeln bei praktischen Technikaufgaben beachtest.

OERs zum Thema

Weiterführende freie Medien

Hinweis: Das internationale Recyclingzeichen ist ein Symbol für Recyclingzusammenhänge. Es ersetzt keine Prüfung der tatsächlichen Recyclingfähigkeit eines Produkts.

Bildlegende: Historische Weltkarte zu kommunalen Recyclingquoten. Sie eignet sich zur Datenkritik, nicht als aktuelle Rohstoffkarte.

Medienauftrag – Fehler finden: Prüfe Jahr, Messgröße und geografische Einheit. Erkläre, warum kommunale Recyclingquote nicht dasselbe ist wie Recyclingfähigkeit eines bestimmten Werkstoffs.

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Werkstoffentscheidung

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