CRC 1026 Sustainable Manufacturing – Shaping Global Value Creation
Funded by German Research Foundation (DFG)
Smarte Produktentwicklung in der vierten
industriellen Revolution
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Prof. Dr.-Ing. Rainer Stark
Leiter des Fachgebietes Industrielle Informationstechnik, Technische Universität Berlin
Direktor des Geschäftsfeldes Virtuelle Produktentstehung, Fraunhofer Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK)
26.11.2013
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Herausforderungen für zukünftige Wertschöpfung
Handlungsoptionen aus technischer Sicht
SMART Engineering
Fazit
Agenda
2
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Zukünftige Entwicklungen in globalen Wertschöpfungsnetzen
3
Reflektiert
Lebens-
erwartung,
Ausbildung
und Kaufkraft
einer Nation
Fläche der Erde,
die notwendig
ist, um den
Lebensstandard
eines Menschen
dauerhaft zu
ermöglichen
(in Hektar)
Biokapazität
der Erde
Schwelle für
hohe
menschliche
Entwicklung
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Maxime für nachhaltige Wertschöpfung
4
Es muss jetzt gehandelt werden!
Mögliche Wege:
Ethisch geprägte Handlung jedes Einzelnen
Grundlegende und angewandte Erforschung von Technologien, Wirkprinzipien und
Handlungsoptionen
Anreize zur Umsetzung von nachhaltigen Lösungen und Geschäftsmodellen seitens der Industrie
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Spannungsfeld für Unternehmen
Stoffverbote
Grenzwerte
Kosten
für Energie
Zertifikatauflagen
Image Unternehmerisches
Gewissen
Gewinnerwartungen
der Shareholder [1]
[2]
?
[3] CSR Berichterstattung
[4]
[5]
[6]
Vom Markt
verlangte
Funktionalität
[7]
Beschränktes
Wissen/Rationalität [8]
Gewährleistung/Schadensersatz § Produzenten-
verantwortung [9]
Normen und
Standards
5
[6] Quelle: AJ Cann
[7] Quelle: tirsus gmbH
[8] Quelle: _DJ_
[9] Quelle: MicoLogika
[10] Quelle: DIN
[11] Enzo Carretta
Nachhaltigkeits-Treiber (unternehmensextern) vs. Barrieren der Umsetzung (unternehmensintern)
[1] Quelle: Ssolberg
[2] Quelle: Kruzi-SA
[3] Quelle: Fotodienst,
Jan-Paul Kupse
[4] Quelle: KMJ
[5] Quelle. Harald Hillemanns
[11]
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Herausforderungen für zukünftige Wertschöpfung
Handlungsoptionen aus technischer Sicht
SMART Engineering
Fazit
Agenda
6 6
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Planung des Produktlebens: Lebenszyklusmanagement
Die Entwicklung hat im Produktlebenszyklus den größten Einfluss auf
ökonomische, ökologische und soziale Auswirkungen der nachgelagerten Phasen
In der Theorie wird hier durch gezieltes „Vorausdenken“ festgelegt, ob ein Produkt
nachhaltig ist oder nicht
Rohmaterial
Produktion
Entwicklung
Transport
Recycling,
Kompostierung Verbrennung,
Deponierung
Auf-
arbeitung
Nutzung
End of Life
7 7
Weiterverwendung in
anderen Produkt bzw.
Produktionskreisläufen
...
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Beispiel Lebenszyklusdenken: Berücksichtigung des Nutzungsszenarios
Auslegung abhängig z.B. von:
Art der Beanspruchung (Dimensionierung des Sicherheitsfaktors)
Nutzungsdauer
Häufigkeit der Nutzung
[1] Produkte mit Fokus auf Materialeinsatz und
Langlebigkeit
[2] [3]
Produkte mit Fokus auf Energieeffizienz
und Wirkungsgrad
[1] Quelle: Fihu
[2] Quelle: Glenn McKechnie
[3] Quelle: Thomas Homberge
[4] Quelle: ChiemseeMan
[4]
8
Modularisierung als Möglichkeit zur Auslegung eines Produktes für verschiedene Nutzungsszenarien
Ersatzteile und Upgrades ermöglichen eine Verlängerung der Nutzungsdauer des Produktes
Diese ist jedoch nicht immer erstrebenswert (z.B. bei Produkten mit steigender Energieeffizienz)
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Technologischer Wechsel vs. Inkrementelle Verbesserung
Bisherige technische
Lösung stößt an die
Grenzen Ihrer
Leistungsfähigkeit Kumulativer Entwicklungsaufwand
Leistungs-
fähigkeit einer
Technologie in
Bezug auf
Nachhaltigkeit
Inkrementelle
Verbesserung einer
bestehenden Lösung
Neue,
nachhaltigere
Technologieoption
[1]
[2]
[3]
Braunkohle
1153 g C02/kwh
Erdgas GUD
428 g C02/kwh
Windkraft
24 g C02/kwh
[1] Quelle: Dharion
[2] Quelle: wigwam Jones
[3] Quelle: Jan Krajewski 9
Technologischer Wechsel birgt großes Potential, führt aber auch zu Risiken
Inkrementelle Verbesserungen einer alten Technologie können als Übergangslösung eingesetzt
werden, allerdings steigt dadurch die Gefahr für einen „Lock-In“ in das bestehende System
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Fortschreiten der Digitalisierung in der Wertschöpfung - Industrie 4.0
• Smarte Produkte
• Produkte werden befähigt, sich an Gegebenheiten
anzupassen (ausführliche Definition siehe nächste Folie)
• Smarte Produktionssysteme
• Überwachte und konfigurierbare Produktionssysteme
ermöglichen ressourceneffiziente Produktion und
individuelle Produkte
Smarte Umgebungen
• Vernetzte Systeme kommunizieren
miteinander und tauschen
Informationen aus
Smarte Vernetzung von Software, Mechanik und Elektronik führt zu neuen Technologien,
Geschäftsmodellen und Arbeitsweisen
Industrie 4.0
Lernfähiges Thermostat
[1]
Adaptive Beleuchtung
[2]
[3] Smart Grid
[4]
[1] Quelle: Cnet
[2] Quelle: Joachim S. Müller
[3] Quelle: BMW Werk Leipzig
[4] Quelle: James Provost 10
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
smart | 2
S: Systems Engineering to enable Sustainability
M: Multi-disciplinary & Model-based
A: Adaptive + Autonomous
R: Robust + Renewable
T: Team and Technology
P | 5
People – Process – Project – Product – Production
Zielsetzung: Smarte Zielsetzung der neuen Fabrik von Morgen
11
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Handlungsoptionen am Beispiel Produktion
Maschine/Maschine Kommunikation
Simulation & Planung
anhand von Realdaten
Intelligente
Schutzeinrichtungen
Maschine/Werkstück Kommunikation
Echtzeitgesteuerte,
selbstoptimierénde
Produktionssteuerung
Manufacturing
Communities, DIY)
Nachhaltige
Geschäfts-
prozesse (Über
UN-Grenzen) Erneuerbare
Energien Smart Grid
Geschlossene
Kreisläufe und Nutzungs-
kaskaden (Hilfsstoffe,
Abfälle, Abwärme)
Optimierung des
Produktionsablaufs
Energie-
management
Alternative
Kühlschmiermittel
Effizienz-
steigerung von
Maschinen/
Retrofitting
Inkrementelle
Verbesserung von
Produktionsprozessen
(klassisch)
Smarte
Vernetzung
Produktions-
umfeld
Neue Fertigungstechnologien
(z.B. Additive Manufacturing,
flexible & konfigurierbare
Produktionssysteme)
Mensch-Maschine
Interaktion/Ergonomie
am Arbeitsplatz
Optimierung von
Fabriklayout und
Logistik
[1]
[1] Quelle: Mike Baker
[2] Quelle: Thomas Leth-Olsen
[3] Quelle: Lab Science Career
[4] Quelle: medicalgraphics.de
[5] Quelle: e-gnition Hamburg
[6] Quelle: Deglr6328
[2]
[3]
[5]
[4]
[6]
12
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Veränderung von Arbeitsweisen in der Fabrik der Zukunft
Mensch steht im Mittelpunkt
zukünftiger Entwicklungen, daraus
ergibt sich eine Änderung von
Arbeitsweisen
[1] [2]
Arbeiter überwacht primär Produktionsprozesse und greift ggf. ein
Andere Qualifikationen notwendig (im Umgang mit Informationstechnik,
Steuerung von Prozessen etc.)
Bestmögliche Unterstützung des Arbeiters durch
Simulation von Arbeitsvorgängen
Bildgebende Verfahren
Anleitung (u.a. durch Augmented Reality)
Maschinen, die sich ergonomisch an Arbeiter anpassen
13 [1] Quelle: Morris & Co
[2] Quelle: IT-production.com
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Auswirkungen der neuen Arbeitsweisen
[1]
[2]
14
Neue Bedrohungen
Überwachung
Durch Sammlung von Echtzeitdaten wird
auch die geleistete Arbeit transparenter
Neue Probleme Überreizung
Vielfalt von Informationen überfordert den Anwender
Machtlosigkeit in Ausnahmesituationen Störfälle in Programmen, Maschinen und
Anlagen können nur von Experten behoben werden
Neue Möglichkeiten Flexible Arbeitszeiten, da Produktion ad-
hoc optimiert und verfügbare Ressourcen transparenter werden
[3]
[1] Quelle: urbanewomanmag
[2] Quelle: TJ Waldorf
[3] Quelle: JuergenG
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Handlungsoptionen am Beispiel Mobilität
Start/Stop
Automatik
Energie-
rückgewinnung
Elektrische
Servolenkung
Visualisierung
Spritverbrauch/ Emissionen
Schaltempfehlungen
Variabler Kühlerlufteinlass
Umweltfreundliche
Lackierung
Zeitfestigkeit
vs.
Dauerfestigkeit Leichtbau
Aerodynamik
Energiesparendes
Getriebe
Direkteinspritzung
Alternative
Kraftstoffe
Variabler
Ventiltrieb
Downsizing
Inkrementelle
Verbesserung von
Verbrennungsmotoren
(klassisch)
Smarte
Vernetzung
Optimierung
der Karosserie
Neue Antriebskonzepte
(z.B. Elektromobilität/
Hybridisierung)
Verbesserung der
Ergonomie und
Interaktion
Veränderung des
Mobilitätsumfeldes
[1]
[1] Quelle: Markunti
[2] Quelle: Stahlkocher
[3] Quelle: Urban Grammar
[4] Quelle: Karlo
[5] Quelle: Maximilian Schönherr
[6] Quelle: Astrablog
[7] Quelle: medicalgraphics.de
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
15
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Einfluss von Konstruktionsparametern am Beispiel Downsizing
Relevanteste Konstruktionsparameter
zur Beeinflussung des Wirkungsgrades
Geometrie und Ausrichtung der Turbine
Art der Zuführung des Abgases zur
Turbine
[1] Quelle: Tognum Ag
[2] Quelle: Vectorportal
Abgasturbolader
Teilsystem Antriebsstrang
Produkt
Produkt-
eigenschaften mit
Nachhaltigkeits-
bezug Wirkungsgrad
Gewicht
Verwendete Schadstoffe
Energieaufwand Material x Geringe Bedeutung
x Geringe Bedeutung x Geringe Bedeutung
Starker Einfluss
16
[1]
[2]
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
17
Herausforderungen bei der Planung nachhaltiger Produkte und Produktionsweisen
Was zeichnet
ein
nachhaltiges
Produkt aus?
Wie wird mit Zielkonflikten
und Trade-offs
umgegangen?
Welche Handlungsoptionen
gibt es?
Welche Art
von Metrik
wird
eingesetzt?
Gesetzliche Rahmen-bedingungen
Systems Engineering
Nachhaltige Handlungs-optionen
Unternehmens-strategie/ Nachhaltigkeits-´ ziele/Kosten/ ´ Wettbewerb
Wissen Methoden IT Systeme
Welche
Konstruktions-
parameter sind
relevant? Wer ist verantwortlich im
Unternehmen?
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Herausforderungen für zukünftige Wertschöpfung
Handlungsoptionen aus technischer Sicht
SMART Engineering
Fazit
Agenda
18 18
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Traditionelle produktorientierte Wertschöpfungsketten
Materialfluss/Fertigung
Produktentwicklung
Produkt- und
Prozessmodelle
Traditional Products
phones
TVs
glasses
cars
buildings
robots
TV
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machines
Traditional Products
phones
TVs
glasses
cars
buildings
robots
machines
19
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Traditional Products
phones
TVs
glasses
cars
buildings
robots
machines
Die Welt wird smart
Materialfluss/Fertigung
Produktentwicklung
Produkt- und
Prozessmodelle
Die echte und die
virtuelle Welt wachsen
zusammen durch
Cyber-Physikalische
Systeme
Smarte Industrie
• intuitiver Gebrauch
• multi-disziplinär
• multi-funktional
• …
• anpassungsfähig
• autonom
• kontext-sensitiv
• …
Eigenschaften
• intelligent
• konnektiv
• interoperabel…
Kommunikation Internet
Software
Eingebettete
Systeme
Hardware
IT Innovationen als Treiber und Befähiger
Smarter Materialfluss/Fertigung
Smarte Produktentwicklung
Smarte Produkt- /
Prozessmodelle
Smart Products
smartphones
smart TVs
smart glasses
connected cars
building automatization
robots
20
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Smarte Produktentwicklung- Veränderung von bestehenden Arbeitsweisen
Neue Berufsbilder
Inter-
Interdisziplinarität
Kollaboration
Förderung der Zusammenarbeit durch geeignete Tools und interkulturelle Kompetenz
Zusammenführung der Disziplinen des Maschinbaus, der Informatik und der Elektrotechnik
Informations-
technik
Durchgängige Verwaltung von standardisierten Produktdaten über Systemgrenzen hinweg
Schon bei der Ingenieursausbildung sollte auf die neuen Entwicklungen reagiert werden, z.B. durch Ausbildung von Nachhaltigkeitsmentoren
21
Software Mechanik
Elektronik
[1] Quelle: AjC1
[2] Quelle: internet and tacos
[1]
[2]
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Beitrag intelligenter Informationssysteme zur Planung nachhaltiger Produkte
22
Placeholder
Placeholder
Placeholder
Virtuelle/
ange-
reicherte
Realität
Placeholder
Wartung und
Instand-
setzung
Produktdaten-
management CAx
Wissens-
management
Digitale Fabrik
[1] Quelle: Ewa Rozkosz
[2] Quelle: Internet and tacos
[1]
[2] Nutzbarkeit
Langlebigkeit und
Wiederverwendbarkeit Umsetzbarkeit
Entscheidungs-
unterstützung
Vordenken
und Prüfen Konsistenter
Zyklus
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Entscheidungsunterstützung des Ingenieurs durch Bereitstellung von…
23
Ökobilanz
Ökoeffizienz
Kumulierter Energieaufwand
UNEP Ökodesign Richtlinie
Volvo -Materiallisten
Materialintensität
Umwelt-FMEA
EQFD
Entwicklungsmethoden (Prozedurales Wissen)
Entwicklungsmethoden
[1] Quelle: Cubosh
[2] ralphbijker
Sammlung, Aufbereitung und Entwicklung von Methoden und Vorgehensweisen zur
Entstehung nachhaltiger Produkte
Daten mit Nachhaltigkeitsbezug (Deklaratives Wissen)
Verringerung des Suchaufwandes durch Einbindung von Datenbanken
[2]
[1]
Treibhausgasemissionen
Kosten Rohstoffverbrauch
Herkunft von Materialien
Arbeitsbedingungen
Stoffverbote
FK-BeziehungFläche F-NR
1
Kontur K-NR
1
2
3
4
F-NR
1
K-NR
1
2
3
4
1
1
1
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Mechanics
Electronics
Software
Der Arbeitsplatz der Zukunft
Integration von Wissen zur Entscheidungsunterstützung in die
Arbeitsumgebung des Ingenieurs
Assembly
model
Sub-
System
model
System
model
Mobility
Solution
Vert
ical S
yste
m Inte
gra
tio
n
Horizontal Value Creation Network
Design EOL Use Production
Planung der Vorgehensweise zur
Entwicklung eines nachhaltigen
Produktes, durch Integration von
Methoden in
Produktentstehungsprozesse
Ad-hoc Nachhaltigkeitsbewertung,
integriert in existierende Werkzeuge der
virtuellen Produktentstehung
24
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Herausforderungen für zukünftige Wertschöpfung
Handlungsoptionen aus technischer Sicht
SMART Engineering
Fazit
Agenda
25 25
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Fazit: Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
26
?
Software
Elektronik
Wie kann
eine
verbesserte
Planbarkeit
erreicht
werden? Mechanik
[1] Quelle: Vectorportal
[2] Quelle: Medicalgraphics.de
[3] Quelle: AjC1
[4] Quelle: Internet and Tacos
[1]
[2]
[3]
[4]
Ja, aber noch nicht heute: Neue Werte & Vorgehensweisen gilt es zu erforschen
und zu entwickeln!
Wir sind dabei und Sie?
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
27
SFB 1026
Sustainable
Manufacturing -
Shaping Global
Value Creation
Prof. Dr.-Ing. Rainer Stark
Technische Universität Berlin
Fachgebiet Industrielle Informationstechnik
Telefon: +49 30 39006-243
Adresse: Pascalstr. 8-9, 10587 Berlin
E-Mail: [email protected]
Internet: www.iit.tu-berlin.de
Tom Buchert, M. Sc.
Technische Universität Berlin
Fachgebiet Industrielle Informationstechnik
Telefon: +49 30 39006-274
Adresse: Pascalstr. 8-9, 10587 Berlin
E-Mail: [email protected]
Internet: www.iit.tu-berlin.de
Virtuelle
Produkt-
entstehung
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Backup
28
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Human Development Index
29
Teilindex unterer Grenzwert (min) oberer Grenzwert (max)
A Lebenserwartung bei der Geburt 20 Jahre (fixer Wert) 83,4 Jahre (Japan, 2011)
B1 Erfolgte Schulbildung (Mittelwert in Anzahl
Jahren) 0 13,1 (Tschechien, 2005)
B2 0 18,0 (fixer Wert)
B3 Kombinierter Bildungsindex 0 0,978 (Neuseeland,
2010)
C Bruttonationaleinkommen (BNE) pro
Einwohner in KKP US-Dollar 100 (fixer Wert) 107.721 (Katar, 2011)
Die Grenzwerte sind die Minima/Maxima, die jemals von einem Land erreicht wurden.
Die Indizes I für A, B1 und B2 errechnen sich nun zu Der Einkommensindex Z berechnet sich zu
Der Bildungsindex B berechnet sich zu Daraus berechnet sich der HDI zu
Die UNDP unterteilt die Länder nach dem HDI-Wert seit 2009 in vier Entwicklungskategorien:
Länder mit sehr hoher menschlicher Entwicklung
Länder mit hoher menschlicher Entwicklung
Länder mit mittlerer menschlicher Entwicklung
Länder mit geringer menschlicher Entwicklung
Erwartete gesamte Ausbildung
(Mittelwert in Anzahl Jahren)
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Ecological Footprint
30
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Beispiel Lebenszyklusdenken: Nachhaltigkeit im End of Life
„Cradle to Cradle“ - Geschlossene Kreisläufe „von der Wiege bis zur Wiege“
Nutzungskaskaden – Wiederverwendung von vermeintlichen Abfallprodukten
[1] Quelle: Liquid Oh
[2] Quelle: Vanessa Harden
[3] Quelle: Axel Hindemith
[4] Quelle: Estormiz
[5] Quelle: Charl de Mille-Isles
[1] [2]
[3]
Das
kompostierbare
Zelt
Kultivierung
von Pilzen auf
Kaffeesatz
[4] [5]
31
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Beispiel Lebenszyklusdenken: Nachhaltigkeit in der Fertigung
Erforderliche Oberflächengüte?
[1]
[1] Quelle: Glenn McKechnie
[2] Quelle: Naoya Fujii
[3] Quelle: Heunisch
[4] Quelle. Kleuske
Welches Material
ist für diese
Güteklasse
geeignet?
[2] [3] [4]
Wie kann dieses
Material
hergestellt
werden?
Sind ggf. noch
weitere Schritte zur
Nachbearbeitung
notwendig?
CO2
Fußabdruck,
Material-
kosten,
Enthaltene
Schadstoffe
etc.
Energie-
intensität,
Gefährdung
von Arbeitern,
Investitionen
Zeit-
aufwand,
Erhöhter
Ausschuss,
Arbeits-
kosten etc.
32
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Emissionsverlagerung
Herstelleraussage: „[…] jede Menge Fahrspaß –
aber kein Gramm CO2 während der Fahrt.“
CO2-Emissionen des smart Fortwo mit
Verbrennungs-motor im Vergleich: 86-119 g/km
Ökobilanz ist von der Wahl der Systemgrenzen
abhängig
Verlagerung der CO2-Emissionen von der Nutzung
(Verbrennung im Motor) zur Erzeugung von Strom
(Verbrennung im Kraftwerk)
[1]
[1] Quelle: Michael Movchin
[2] Quelle: Dmitry A. Mottl
[2]
Stromverbrauch 15,1 kWh/100km
CO2-Emissionsfaktor (deutscher Strommix) 576 g/kWh
CO2-Emission Smart Fortwo (Elektro) 86,98 g/km
33
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Effizientere Nutzung auf Kosten einer schlechteren End-of-Life-Bilanz
Die Energiesparlampe benötigt nur ca. 20% der Energie einer Glühbirne, um die selbe Lichtstärke zu erzeugen
Sie enthält aber giftiges Quecksilber, das bei einem Bruch oder unsachgemäßer Entsorgung freigegeben wird und Gesundheitsschäden und Umweltbelastungen bewirken kann
Der erhöhte Energieaufwand für die Entsorgung bzw. das Recyceln wird oft nicht berücksichtigt
Das quecksilberhaltige Leuchtpulver wird als Sondermüll endgelagert
[1] Quelle: Armin Kübelbeck
[2] Quelle: KMJ, alpha masking by Edokter
[2]
[1]
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Gute End-of-Life-Bilanz auf Kosten einer schlechteren Gesamtbilanz
Der Slogan zur Vermarktung der Bio-Plastiktüte: „Zeig der Umwelt ein Lächeln“
Biologische Abbaubarkeit theoretisch gegeben
Ökobilanz dennoch deutlich schlechter als bei Alternativen aus Jute, Holz oder Papier
Zusätzlich sind die Bio-Tüten trotz der Zertifizierung nicht für die industrielle Kompostierung geeignet und werden daher aussortiert und zusammen mit den restlichen Kunststoffen Verwertet
Werden mehr Bio-Tüten genutzt anstatt die Alternativen aus Jute, Holz oder Papier, ist die globale Ökobilanz schlechter
Werden die Tüten nicht kompostiert, ist ihre Ökobilanz nicht besser als die von herkömmlichen Plastiktüten
Maisstärke Duroplast [1]
[1] Quelle: Achim Raschka
[2] Quelle: Berliner Morgenpost, dpa
Rewe und Aldi Bio-Tüte [2]
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Keine geschlossenen Materialkreisläufe
[1] Quelle: gynti_46
[2] Quelle: Friedrike Farsen, „Müllwelten“ Verbraucherzentrale NRW
3D-Drucker und Beispieldruck [1]
Geschlossener Materialkreislauf für Papier
und Pappe [2]
Beispiel 3D Drucker:
Verschnitte und ausgediente Produkte
werden als Kunststoff entsorgt
Geschlossene
Materialkreisläufe
existieren z.B. für
Metalle, Glas und
Papier
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Greenwashing
Kreation eigener Bio-Siegel mit wenig Aussagekraft
Als Bio-Produkte ausgewiesene Kleidung von C&A und H&M wiesen teilweise nur
50% Bio-Baumwolle auf
Zusätzlich ist die Herkunft der Materialien durch die Anbieter teilweise nicht
vollständig nachweisbar
Von Herstellern (z.B. in Indien) als Bio ausgewiesene Baumwolle entspricht nicht
den europäischen Vorgaben
Täuschung der Verbraucher wird durch das Kleingedruckte z.B. auf der Rückseite
des Etiketts oder der eigenen Definition des Bio-Sigels gerechtfertigt
[1]
[1] Quelle: Otto
[2] Quelle: H&M
[3] Quelle: C&A
[4] Quelle: memo (Onlinehandel für Nachhaltige Produkte)
[2]
[3] [4]
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Vernachlässigung der sozialen Nachhaltigkeitsperspektive
Computerhersteller rühmen sich mit der
Nachhaltigkeit ihrer Produkte:
Einsparungen natürlicher Ressourcen durch
Wiederverwendung und Recycling
Effizienter Energieverbrauch der Produkte
Anwendung von Entwicklungs- und Fertigungsprozessen, die
die Umwelt nicht nachteilig beeinflussen.
Abfallminimierung und Verhinderung von Wasser-, Luft- und
anderer Verschmutzung…
Gleichzeitig stehen fast alle namhaften
amerikanischen Computerhersteller in der Kritik
wegen unmenschlicher Arbeitsbedingungen in den
Herstellländern wie Mexiko oder China
Jüngstes Beispiel: Mitarbeiter von Apple Zulieferern
in China beklagen exzessive Überstunden und
Misshandlungen von Arbeitern
[1]
[1] Quelle: Ravi Karandeekar
[2] Quelle: DanielZanetti
[2]
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Geplante Obsoleszenz
Erhöhung des Absatzes durch Verringerung der Lebensdauer des Produktes
Die verkürzte Lebensdauer wirkt sich negativ auf den Ressourcenverbrauch aus
Unterdimensionierte Bauteile, wie z.B. Kondensatoren in
elektronischen Geräten, Zahnräder in Mixern oder Lager in
Waschmaschinen
Nicht austauschbare oder reparierbare Komponenten, wie
beispielsweise Akkus in Mobiltelefonen oder Tablet-PCs
Einstellen der Produktion von Ersatzteilen, Patronen etc.
Fehlende Downgradefähigkeit (z.B. Austausch der Hardware
bei neuem Betriebssystemen)
Psychische Obsoleszenz: Obwohl ein Produkt noch voll
Einsatzfähig ist, wird dem Nutzer der Eindruck vermittelt, dass
ein neues Produkt gekauft werden muss
Absichten der Hersteller sind schwer nachzuweisen [4]
[1]
[1]: Chrizz
[2]: Torsten Große
[3]: DanielZanetti
[4]: Kyro
[2]
[3]
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Ansatz: Befähigung des Ingenieurs durch Entwicklungsmethoden
[1] Quelle: Tekke
[1]
[2]
Analytische Methoden - Wie nachhaltig
ist ein Produkt wirklich?
Checklisten - Welche Forderungen muss
ein Produkt erfüllen um „grün“ zu sein?
Bewertungsmethoden – Wie kann man
Konzepte bzgl. Nachhaltigkeit vergleichen?
Ökobilanz
Ökoeffizienz
Kumulierter Energieaufwand
UNEP Ökodesign Richtlinie
Volvo Black/White-Lists
ISO 14061
Materialintensität
Umwelt-FMEA
EQFD
Wo bleibt der
ganzheitliche
Ansatz?
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
Ansatz: Konsequenter Leichtbau
Einsparung von Gewicht durch
Materialeinsparung und -substitution
Auslegung von Bauteilen bis in die
Grenzbelastung
durch zunehmende Qualität von Modellen
und Simulationen
durch „Zusammenwachsen“ von Mechanik,
Elektronik und Softwaresystemen
Interdisziplinarität in der Produktentstehung
wird immer wichtiger
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
„Smarte Produkte“: Anwendungsfall Home Automation
Ziel: erhöhte Effizienz bei der Nutzung von Strom und Wärme im Wohnbereich
Dies ist nur möglich durch zentrale Steuerung, Sensorik und Kommunikation
verschiedener Produkte und Systeme untereinander
[1] Quelle: Marc Ouellette
[2] Quelle: Cnet
[3] Quelle: Joachim S. Müller
[1]
Energiemanagementsystem
Lernfähiges Thermostat [2]
Beleuchtung in Abhängigkeit des
Sonnenstandes und von der
Präsenz im Raum
[3]
Smarte Produktentwicklung in der vierten industriellen Revolution:
Ist nachhaltige Produktion & Produktnutzung wirklich planbar?
„Smarte“ Produktionssysteme
Integration von elektronischen
Komponenten (Sensoren, Steuerung
etc.) in Werkzeugmaschinen, Roboter
und Werkstücke erlaubt eine neue
Stufe der Effizienz in der
Fertigungstechnik
Kommunikation aller Elemente führt
zu einer Echtzeitkontrolle des
Produktionssystems
Kleinserienfertigung, Energie- und
Zeiteinsparungen, Vermeidung von
Ausschuss und die eigenständige
Lösung von Problemen im
Produktionsablauf sind das Ziel
Quelle: BMW Werk Leipzig
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