Design und Nachhaltigkeit Mit dem digitalen Zwilling und nachhaltigem Produktdesign ein besseres Geschäft aufbauen

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Produktdesign ist einer der wirkmächtigsten Hebel für eine nachhaltigere Fertigung. Der digitale Zwilling leistet hierzu einen wesentlichen Beitrag. Wie das funktioniert, berichtet Eryn Devola, Vice President of Sustainability bei Siemens Digital Industries, in diesem Beitrag.

Design war schon immer ein Balanceakt aus Leistung, Kosten und Qualität. Heute müssen wir einen neuen Faktor berücksichtigen: Nachhaltigkeit.

Angefangen bei der Gewinnung der Materialen, über die Herstellung von Einzelteilen bis hin zur Montage vom Endprodukt, seiner Nutzung und dem Ende seines Nutzungszyklus: Alle Umweltauswirkungen der einzelnen Produktlebensphasen addieren sich auf und müssen als ganzheitlicher Fußabdruck verstanden werden. Wir wissen, dass rund 80 Prozent des Umweltfußabdrucks eines Produktes in seiner Designphase bestimmt werden. Die Macht, den Fußabdruck zum Großteil zu beeinflussen, liegt somit in den Händen der Produktdesignerinnen und -designer.

Ihre Entscheidungen im Kontext von Materialien, dem strukturellen Aufbau, den verwendeten Produktions- und Montageverfahren, der erzielten Ressourceneffizient in der Nutzung sowie das Ermöglichen von Reparatur, Wiederverwendung und Recycling bestimmen die Umweltauswirkungen der Produkte. Jede Designentscheidung hat also einen Einfluss auf die Nachhaltigkeit. Doch wie gestalten wir diesen positiv?

Abteilungen für Produktdesign stehen vor der Herausforderung, das optimale Design unter einer Vielzahl an voneinander abhängigen und gegenläufigen Anforderungen zu kreieren. Die effektivste Strategie diese Herausforderung zu meistern ist es, Nachhaltigkeit als eine neue Geschäftskennzahl zu etablieren und ins Zentrum der Entscheidungsfindung zu stellen. Digitale Lösungen übersetzen die Nachhaltigkeitsstrategie dann in nachhaltige Produkte.

Beginnen Sie mit dem Entwurf von „Systemen von Systemen“

Ein intelligenter Designansatz setzt auf den Aufbau einer logischen Struktur des Produktes, welche die Abhängigkeiten der Designanforderungen abbildet. Dieser Designansatz ist bekannt als „System von Systemen“.

Ein System kann so spezifisch sein wie ein Merkmal des integrierten Schaltkreises in einem elektronischen Gerät oder so umfassend wie die Umgebung, in der das Produkt eingesetzt wird. Die meisten modernen Produkte können nicht als ein eigenständiges System beschrieben werden, da für die Entwicklung viele technische Disziplinen erforderlich sind. Stattdessen betrachtet man diese Produkte als ein System von Systemen. Die Koordinierung der verschiedenen Disziplinen bei der Arbeit an einem Projekt erfordert eine frühzeitig beginnende und häufig iterierende Simulation, um die einzelnen Systeme und ihr Zusammenspiel zu optimieren.

Diese robuste Simulation wird in erster Linie durch den umfassenden digitalen Zwilling des Produkts ermöglicht. Bei einem Schiffspropeller kann eine Steigerung der Schaufelwinkels den Wirkungsgrad verbessern, doch hängt es vom Motor und allen dazwischen liegenden Systemen ab, ob die Leistung und die CO₂-Emissionen den Designanforderungen gerecht werden. Diese Art multidisziplinärer und hoch komplexer Optimierungen können Unternehmen heute dank digitaler Lösung deutlich schneller und mit einem minimierten Ressourcenaufwand erzielen.

Die Kombination aus Simulation und multidisziplinärer Optimierung ermöglicht es Fachleuten für Produktdesign, auf intelligentem Weg ein zukunftsfähiges, profitables und nachhaltiges Design im Einklang mit der Unternehmensstrategie zu realisieren. In diesem Zuge bevorzugt man beispielsweise das eine Material aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften gegenüber einem anderen, um die Leistungsindikatoren des Produktes zu erfüllen. Ein anderer Werkstoff wiederum wird aufgrund seiner hohen Recyclingfähigkeit gewählt. Und die Form eines Teils wird mit Hilfe eines spezifischen Fertigungsverfahrens wie dem 3D-Druck auf Gewicht und Fertigungsabfälle optimiert.

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In einem vernetzten industriellen Ökosystem auf Kurs bleiben

Um in der Entwurfsphase die richtigen Nachhaltigkeitsentscheidungen treffen zu können, ist der Zugang zu einer möglichst genauen und breit gefächerten Datensammlung erforderlich. Nur so lässt sich ein wirklich umfassender digitaler Zwilling erstellen, der das gesamte Netz von Zulieferern, logistischen Abläufen und der Energieinfrastruktur einschließt. Wir sprechen hier auch von kollektiver Intelligenz. Da sich ein solcher digitaler Zwilling aus Daten der Simulation, der Fertigung und der Wertschöpfungskette speist, wird er zu einem immer genaueren Abbild der realen Welt.

Das Kommunikations-Ökosystem muss die gesamte Wertschöpfungskette abdecken und frühzeitig aufgebaut werden, um Maßnahmen und Datenaustausch mit Lieferanten, Händlern und anderen Partnern zu koordinieren. Auf diese Weise erhalten die Designerinnen und Designer direkten Zugang zu Beschaffungsinformationen über Materialien und beauftragte Teilsysteme.

Gleichzeitig verwebt ein robustes, auf der Digitalisierung aufbauendes Product-Lifecycle-Management-System alle Designer und berücksichtigt dabei die verfügbaren Ressourcen des Unternehmens. Die Verbindung und Integration dieser traditionell isolierten Prozesse hilft dabei, ein besseres und nachhaltigeres Produkt schneller auf den Markt zu bringen.

Ein gut vernetztes Ökosystem für Industriedesign ermöglicht Optimierungszyklen zwischen dem Design und der Wertschöpfungskette. Die Designer haben vielleicht in den ersten Design-Iterationen ein Produkt aus einer bestimmten Aluminiumlegierung entworfen und angefordert, doch der Zulieferer entdeckt eine etwas andere Legierung mit vergleichbaren Eigenschaften, aber mit besserer Druckfähigkeit innerhalb der bestehenden Infrastruktur. Unabhängig davon, ob die Geschäftsentscheidung dahingehend ausfällt, die Legierung zu ändern oder einen anderen Fertigungslieferanten zu beauftragen, der zuverlässig in der ursprünglichen Legierung drucken kann: Dieser neue Datenpunkt wird der kollektiven Intelligenz für zukünftige Iterationen hinzugefügt.

Die Entscheidungen der Lieferanten können die Nachhaltigkeit eines Produkts erheblich beeinflussen. Ein Zulieferer ist vielleicht in der Lage, Strom aus erneuerbaren Energiequellen zu verwenden, weil er in der Nähe von Windkraft-, Solar- oder anderen nachhaltigen Energiequellen ansässig ist. Ein anderer könnte geografisch näher an der übrigen Produktion liegen, was die durch Transport und Logistik verursachten Emissionen begrenzt.

Um die Kreislaufwirtschaft zu fördern, kann sich die Zusammenarbeit über die gesamte Wertschöpfungskette bis zum Ende des Lebenszyklus eines Produkts erstrecken. Eine komplexe Herausforderung, gilt es doch die folgenden Punkte zu berücksichtigen: Die Reduktion der verwendeten Materialien, das Ermöglichen der Wiederverwendung, der Reparatur, des Sanierens und Aufbereitens sowie das Maximieren der Recyclingfähigkeit.

Die Wahl eines stärkeren Materials erhöht die Wiederverwendbarkeit eines Produktes. Ein stärkeres Bauteil kann aber auch einen energieintensiveren Fertigungsprozess erfordern. Der Umfang und die Variabilität dieser Entscheidungen sind der Grund, warum Simulation und Optimierung mithilfe von digitalen Lösungen zentral sind, um nachhaltiges Design zu realisieren. Einfachere Entscheidungen lassen sich automatisieren, komplexe Entscheidungen werden mit Künstlicher Intelligenz beschleunigt.

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Weitere Optimierung des Designs mit ganzheitlichen Nachhaltigkeitsindikatoren

Schließlich ist es wichtig, Entscheidungen in jeder Phase des Produktlebenszyklus zu validieren und zu bewerten. Ganzheitliche Nachhaltigkeitsindikatoren müssen von Anfang an in den digitalen Zwilling integriert werden, damit das Realisieren der Nachhaltigkeit im Zusammenspiel mit Leistung, Kosten und Qualität zu jedem Zeitpunkt transparent auf die Unternehmensziele einzahlt. Das kann es erfordern, dass der Entwurf physische Sensoren beinhaltet, die Diagnose- und Umweltbedingungen während Herstellung, Lieferung, und Nutzung sowie den CO₂-Fußabdruck und die Materialkosten erfassen. Bei einem größeren Datensatz ist es sogar möglich, virtuelle Sensoren einzubeziehen, die sich auf die im digitalen Zwilling erstellten Modelle stützen.

Physische Sensoren speisen die Simulationsmodelle und sorgen für ein besseres Verständnis von Entscheidungen in der frühen Entwicklungsphase, während virtuelle Sensoren und Modelle Nachhaltigkeitsindikatoren aus komplexen Systemen interpolieren und extrapolieren. Diese Indikatoren ermöglichen eine Optimierung in einem geschlossenen Kreislauf zwischen Design, Herstellung, Nutzung und dem Ende des Lebenszyklus.

Nachhaltiges Design ist bewusstes Design

Bei nachhaltigem Design geht es um bewusste Entscheidungen, die auf der kollektiven Intelligenz von Design, Herstellung und Betrieb eines Produkts über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg beruhen. Sie ermöglicht es, ein Produkt mit geringstmöglichem Ressourceneinsatz herzustellen.

Das erfordert einen System-der-Systeme-Ansatz, um einen umfassenden digitalen Zwilling zu erstellen, der all die verschiedenen Disziplinen, die zur Herstellung eines komplexen Produkts erforderlich sind, genau widerspiegelt. Er muss auch auf einem Ökosystem für Industriedesign aufbauen, das den Fluss wichtiger Echtzeitdaten innerhalb des Unternehmens und mit externen Lieferanten erleichtert. Und es müssen ganzheitliche Nachhaltigkeitsindikatoren einbezogen werden, um sicherzustellen, dass Entscheidungen fundiert getroffen werden. Nachhaltige Produkte beginnen mit einem nachhaltigen Design, das intelligent durchdacht ist.

Dieser Artikel stammt von unserem Partnerportal Industry of Things.

* Eryn Devola ist Vice President of Sustainability bei Siemens Digital Industries.

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