nachhaltige und effiziente produktentwicklung - … · mit dem integrierenden...
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© Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung | 2013 Folie: 1
Nachhaltige und effiziente
Produktentwicklung
5. PLM Future Tagung am 04. November 2013
Technoseum Mannheim, Auditorium
Technische Universität Kaiserslautern
Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung
Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner
Dipl.-Kfm. techn. Patrick D. Schäfer
B.Sc. Hristo Apostolov
© Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung | 2013 Folie: 2
Visualisierung
Datenaggregation
Legacy Systeme
A
AA F
F F L
LL
MRP/ERP … TDM/PDM/PLM
Engineering Arbeitsplatz der Zukunft
Standards: OSLC, AP 233, AP242XML, …
CAD-M/E, CASE
Produktmodelle
Prozessmodelle
P P P
P
P
P P
P
Attribute
© Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung | 2013 Folie: 3
Visualisierung
Datenaggregation
Legacy Systeme
A
AA F
F F L
LL
P P P
P
P
P P
P
MRP/ERP … TDM/PDM/PLM
Attribute
Engineering Arbeitsplatz der Zukunft
Standards: OSLC, AP 233, AP242XML, …
CAD-M/E, CASE
Produktmodelle
Prozessmodelle
Eco
© Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung | 2013 Folie: 4
Technische Universität Kaiserslautern
Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung
Nachhaltige und effiziente Produktentwicklung
5. PLM Future Tagung Grundlagen Nachhaltige Produkt-entwicklung
2
Fazit und Ausblick
4
Motivation Nachhaltige Produkt-entwicklung
1
Projekt ERMA
3
© Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung | 2013 Folie: 5
Motivation
Das Leitbild der Nachhaltigen Entwicklung
wird den Engineering Arbeitsplatz der Zukunft verändern.
Treiber eines Nachhaltiges Wirtschaften sind:
• Komplexere Produkte
• Komplexere Prozesse
• Globale Zulieferketten
• Verschärfung der Gesetzgebung
• Endliche Ressourcenverfügbarkeit
Herausforderungen an eine nachhaltige Produktentwicklung
Richtlinien
und
Compliance
Neue Rolle
von
Zulieferern
Prozess-
komplexität
Produkt
komplexität
Ressourcen-
verfügbarkeit
Das Denken in Lebenszyklen spielt bei der Gestaltung und
Bewertung, sowie bei der Optimierung von Produkten eine
entscheidende Rolle.
Die frühe Phase der Produktentwicklung nimmt eine
Schlüsselrolle ein:
In dieser Phase werden bis zu 80% der Kosten, der
Umweltwirkungen und der sozialen Aspekte eines
Produktes festgelegt.
© Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung | 2013 Folie: 6
Technische Universität Kaiserslautern
Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung
Nachhaltige und effiziente Produktentwicklung
5. PLM Future Tagung Grundlagen Nachhaltige Produkt-entwicklung
2
Fazit und Ausblick
4
Motivation Nachhaltige Produkt-entwicklung
1
Projekt ERMA
3
© Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung | 2013 Folie: 7
Operationalisierung der Nachhaltigkeit
Bewertung der Nachhaltigkeit
auf einzelwirtschaftlicher Ebene
schwach
sozial ökologisch-
ökonomisch
stark
ökologisch
stark
ökonomisch
sozial-
ökonomisch
sozial-
ökologisch
vorwiegend
ökonomisch
vorwiegend
ökologisch
vorwiegend
sozial
stark
sozial
sozial-
ökologisch-
ökonomisch
teils
sozial
sozial
Soziales
Quelle: Integrierendes Nachhaltigkeitsdreieck - von Hauff, M.; Kleine, A. (2009): Nachhaltige Entwicklung – Grundlagen und Umsetzung, Oldenbourg, München
Kennwerte - VDI 4070 „Anleitung zum Nachhaltigen Wirtschaften“ (2006) – Derzeit in Überarbeitung: Gründruck erscheint im Frühjahr 2014.
© Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung | 2013 Folie: 8
Bewertung der Nachhaltigkeit von Produkten
Nachhaltigkeitsbewertung
mit dem Integrierenden Nachhaltigkeitsdreieck
Quelle: Integrierendes Nachhaltigkeitsdreieck - von Hauff, M.; Kleine, A. (2009): Nachhaltige Entwicklung – Grundlagen und Umsetzung, Oldenbourg, München
Kennwerte - VDI 4070 „Anleitung zum Nachhaltigen Wirtschaften“ (2006) – Derzeit in Überarbeitung: Gründruck erscheint im Frühjahr 2014.
Soziales
Ökologie Ökonomie
Ökonomische Kenngrößen:
- Betriebsergebnis
- Eigenkapitalquote
- Eigenkapitalrendite
- Fremdkapitalrendite
- Return on Investment (ROI)
- Netto-Wertschöpfung
- …
- Anteil zertifizierter Lieferanten
- F&E-Anteil
- Produktivität
- …
- Kapazitätsauslastungsquote
- Ausschussquote
- Fehlerkosten
- …
Soziale Kenngrößen:
- Mitarbeiteranzahl
- Anteil an Auszubildenden
- Frauenanteil in Führungspositionen
- …
- Fluktuationsquote
- Qualifizierungsindex
- Schulungsindex
- Mitarbeiterbeteiligung am Verbesserungsprozess
- …
- Globale Zuliefererauswahl
- …
- …
- …
Ökologische Kenngrößen:
- Rohstoffeinsatz
- Energieverbrauch
- Wasserverbrauch
- Abwassermenge
- Emissionen
- …
- Gefahrstoffe und Gefahrstoffanteil
- Anteil des Einsatzes recyclierter Materialien
- Umweltcompliance
- …
- Transportquote
- Anteil Verpackungen
- …
Anspruch auf:
- Lebenszyklusanalyse von
Produkten
- Erfassung von
Umweltauswirkungen
eines Produktes
- Umweltbewertung von
Produktvarianten
© Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung | 2013 Folie: 9
Ökologische Nachhaltigkeitsbewertung von Produkten
Das Umweltprofil eines
Produktsystems wird anhand von fünf
Kategorien bestimmt:
Verbrauch von Energie
Verbrauch von Rohstoffen
Emissionen in Luft, Wasser und Boden
Toxizitätspotenzial der eingesetzten und
freiwerdenden Stoffe
Einhaltung von Gesetzen und
Verordnungen
Produktbezogene Umweltgesetzgebung
EuP | Energy using Product
REACH | Registration, Evaluation, and
Authorization of Chemicals
RoHS | Restriction of use of certain
Hazardous Substances
WEEE| Waste Electrical and Electronic
Equipment
ELV| End of Life Vehicle
Standardisierte Bewertungsverfahren
zeigen Ansatzpunkte und Prioritäten auf:
Anleitung zum nachhaltigen Wirtschaften: VDI 4070 (Gründruck erscheint Frühjahr 2014)
Kumulierter Energieaufwand (KEA): VDI 4600
Ermittlung des Carbon Footprint (GWP): PAS 2050
Ökobilanzierung (LCA): ISO 14040, 14044
Ökoeffizienzanalyse: ISO 14045 (Erschienen im Oktober 2012)
Ausgewählte Softwarewerkzeuge
GaBi
sowohl Datenbank als auch Ökobilanzsoftware
SimaPro
weltweit am weitesten verbreitete Ökobilanzsoftware
mit eigener Datenbank
Sustainability Pro von Dassault Systèmes
CAD-Erweiterung für SolidWorks
Teamcenter Sustainability and Environmental
Compliance
Semi-integrierte in PLM Lösung.
Windchill Product Analytics
Semi-integrierte in PLM Lösung.
© Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung | 2013 Folie: 10
Schlüsselrolle der Produktentwicklung
Anforderungen Entwicklung Produktplanung Prozessplanung Produktion Betrieb Recycling
Produktlebenszyklus
SOP
Rohstoff- förderung
Erzeugung von RohmaterialienZwischen- und Endprodukten
Kraftstoff-verbrauch
Emissionen
Wartung
Einsatz von Ersatzteilen und Flüssigkeiten
Wieder-verwertung
Entsorgung
Ma
teria
lflu
ss
Info
rma
tionsfluss
Lagerung und Transport werden berücksichtigt.
Im Rahmen einer ganzheitlichen Product Lifecycle Management Strategie
können Nachhaltigkeitspotenziale prospektiv genutzt werden:
Prospektive Ökologische Nachhaltigkeitsbewertung
in Rahmen eines PLM Ansatzes
Ausgewählte Softwarelösungen zur
Erfassung der Umweltauswirkung eines
Produktes:
Quelle - In Anlehnung an: Kwak, M.; Kim, H. (2013): CIRP Design Conference
© Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung | 2013 Folie: 11
Schlüsselrolle der Produktentwicklung
Anforderungen Entwicklung Produktplanung Prozessplanung Produktion Betrieb Recycling
Im Rahmen einer ganzheitlichen Product Lifecycle Management Strategie
können Nachhaltigkeitspotenziale prospektiv genutzt werden:
Einfluss auf Umwelt- (und Nachhaltigkeitsaspekte)
Kenntnisse über Umweltrelevanz und Nachhaltigkeitswirkung
Produktlebenszyklus
Anwendung von PLM-Methoden
Info
rma
tionsfluss
Prospektive Ökologische Nachhaltigkeitsbewertung
in Rahmen eines PLM Ansatzes
© Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung | 2013 Folie: 12
Technische Universität Kaiserslautern
Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung
Nachhaltige und effiziente Produktentwicklung
5. PLM Future Tagung Grundlagen Nachhaltige Produkt-entwicklung
2
Fazit und Ausblick
4
Motivation Nachhaltige Produkt-entwicklung
1
Projekt ERMA
3
© Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung | 2013 Folie: 13
Ziel:
Entwicklung energieeffizienter Konzepte und Technologien für
mobile Arbeitsmaschinen in den Bereichen:
Antrieb, Energiemanagement, Reibung, Life Cycle Management
Projektlaufzeit:
Februar 2011 bis Januar 2014
Aufgabenstellung
Das Projekt ERMA am Lehrstuhl VPE
Energie- und ressourceneffiziente mobile Arbeitsmaschinen
Der Schwerpunkt im Teilprojekt besteht darin, die
Entwicklung bzw. Optimierung einer mobilen
Arbeitsmaschine durch einen konzeptionellen
Ansatz zur Erweiterung des Product Lifecycle
Management zu unterstützen. Dieser Ansatz
erweitert sowohl das Produktmodell als auch das
Prozessmodell um eine technisch-wirtschaftliche
Beachtung ökologischer Parameter und
ermöglicht damit eine aggregierte Bewertung der
Energie- und Ressourceneffizienz des Produktes
über den Lebenszyklus.
Partner an der TU Kaiserslautern:
© Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung | 2013 Folie: 14
Projekt ERMA
Anforderungen Entwicklung Produktplanung Prozessplanung Produktion Betrieb Recycling
Info
rma
tionsfluss
Integrierte Sicht im Projekt ERMA:
Zur ganzheitlichen Erfassung und Bewertung des Energie- und Ressourcenbedarfs
Prospektive Ökologische Nachhaltigkeitsbewertung
in Rahmen eines PLM Ansatzes
Ausgewählte Softwarelösungen zur
Erfassung der Umweltauswirkung eines
Produktes:
Einfluss auf Umwelt- (und Nachhaltigkeitsaspekte)
Kenntnisse über Umweltrelevanz und Nachhaltigkeitswirkung
Produktlebenszyklus
Anwendung von PLM-Methoden
© Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung | 2013 Folie: 15
Integrierte Sicht im Projekt ERMA:
Zur ganzheitlichen Erfassung und Bewertung des Energie- und Ressourcenbedarfs
Anforderungen:
• Grob spezifiziert: Strategieanforderungen, Kundenanforderungen, rechtliche Anforderungen
Projekt ERMA
Anforderungen Entwicklung Produktplanung Prozessplanung Produktion Betrieb Recycling
Quelle: Bach, P. 2013 – „Der Entwicklungsprozess eines Mobilbaggers“ .
© Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung | 2013 Folie: 16
Integrierte Sicht im Projekt ERMA:
Zur ganzheitlichen Erfassung und Bewertung des Energie- und Ressourcenbedarfs
Projektplan:
• Global Development Process
Spezifikation der Anforderungen
Konzepterstellung und Konzeptauswahl
Projektabschätzung
Aufwand- und Kostenabschätzung
Lastenheft
Projekt ERMA
Anforderungen Entwicklung Produktplanung Prozessplanung Produktion Betrieb Recycling
Quelle: Bach, P. 2013 – „Der Entwicklungsprozess eines Mobilbaggers“ .
© Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung | 2013 Folie: 17
Integrierte Sicht im Projekt ERMA:
Zur ganzheitlichen Erfassung und Bewertung des Energie- und Ressourcenbedarfs
Entwicklung:
• Ausarbeitung von Teilsystemen und Alternativen:
Projekt ERMA
Anforderungen Entwicklung Produktplanung Prozessplanung Produktion Betrieb Recycling
Quelle: Bach, P. 2013 – „Der Entwicklungsprozess eines Mobilbaggers“ .
Beispiel Leichtbau:
Bisherige Struktur 830 kg
Neue Struktur 783 kg
P P P
P
P
P P
P
Materialdeklaration
Masse [in kg]
© Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung | 2013 Folie: 18
Integrierte Sicht im Projekt ERMA:
Zur ganzheitlichen Erfassung und Bewertung des Energie- und Ressourcenbedarfs
Prozessplanung: • Werkzeugdesign, Herstellungsressourcenfestlegung, Einkauf, Zuliefererauswahl;
Projekt ERMA
Anforderungen Entwicklung Produktplanung Prozessplanung Produktion Betrieb Recycling
Quelle: Volvo CE 2011.
Modelliert nach der OMEGA Methode von UNITY.
P P P
P
P
P P
P
Zuliefererinfo
© Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung | 2013 Folie: 19
Integrierte Sicht im Projekt ERMA:
Zur ganzheitlichen Erfassung und Bewertung des Energie- und Ressourcenbedarfs
Produktion:
• Herstellung, Zusammenbau, Qualitätsabsicherung
Projekt ERMA
Anforderungen Entwicklung Produktplanung Prozessplanung Produktion Betrieb Recycling
Quelle: Volvo CE 2011.
Modelliert nach der OMEGA Methode von UNITY.
P P P
P
P
P P
P
Produktionsprozess Bearbeitungszeit
Energieverbrauch Stoffverbrauch Emissionen
© Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung | 2013 Folie: 20
Integrierte Sicht im Projekt ERMA:
Zur ganzheitlichen Erfassung und Bewertung des Energie- und Ressourcenbedarfs
Nutzungsszenarien:
• Ermittlung der Umweltbelastung während der
Nutzungsphase über Verbrauchsmessungen
Erfassung ausgewählter Zyklen: (normierte)
Verbrauchsmessungen
Gewichtung ausgewählter Zyklen:
Reale Feldversuche, kundespezifische Nutzungsprofile
• Verbrauchsmessungen
(am Beispiel eines gewählten Zyklen Mix):
Kombiniertes Baggern (Aushub und Aufschüttung)
Kombiniertes Graben
Kombiniertes Heben
Einfaches Fahren
Leerlauf
Projekt ERMA
Anforderungen Entwicklung Produktplanung Prozessplanung Produktion Betrieb Recycling
Quelle: ERMA 2011.
P P P
P
P
P P
P
Betriebszyklen
Lastzyklen
Szenarien
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Ökobilanzierung als Bestandteil eines PLM Ansatzes
Konzept einer ökologisch-ökonomischen Produktbilanzierung
im Kontext einer PLM Lösung
Festlegung des Ziels
und des
Untersuchungsrahmens
Ers
ter S
ch
ritt Rechnergestützte
Wirkungsabschätzung
Dritte
r Sch
ritt
Rechnergestützte
Sachbilanzierung
Zw
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Erg
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Inte
rpre
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n
Konzept einer ökologisch-
ökonomischen Produkt-
bilanzierung im Kontext der
Nachhaltigkeitsbetrachtung
Quelle: DIN EN ISO 14040.
Umwelt-
datenbanken
Werkstoff-
datenbanken
Sachbilanz-
datenbank
Information und Daten Ökobilanz nach ISO 14040 / 14044 integriert in ein PLM Konzept
Stückliste aus dem
Materialmanagement
/ Produktionsplanung
Arbeitsplan aus der
Produktionsplanung
und -steuerung
Herstellkosten aus
der Produktions-
kostenkalkulation
Pflichtenheft
Inte
rn (U
nte
rne
hm
en)
Kunden
Entsorger / Verwerter
Zulieferer
Exte
rn
Quelle: Feikert (2007)
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Technische Universität Kaiserslautern
Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung
Nachhaltige und effiziente Produktentwicklung
5. PLM Future Tagung Grundlagen Nachhaltige Produkt-entwicklung
2
Fazit und Ausblick
4
Motivation Nachhaltige Produkt-entwicklung
1
Projekt ERMA
3
© Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung | 2013 Folie: 24
Environmental impacts:
Total greenhouse gas emissions
Embodied energy
Embodied water use
Acidification potential
Eutrophication potential
Ökobilanzierung als Bestandteil eines PLM Ansatzes
Ökobilanzierung mit PTC Windchill und Windchill Product Analytics
am Beispiel einer mobilen Arbeitsmaschine:
© Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung | 2013 Folie: 25
Technische Universität Kaiserslautern
Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung
Vielen Dank!
http://www.uni-kl.de/ERMA
Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung
Dipl.-Kfm. techn.
Patrick Schäfer Fachbereich Maschinenbau
und Verfahrenstechnik
Gottlieb –Daimler-Str./Geb. 44-324
D-67663 Kaiserslautern
Postfach 3049
D-67653 Kaiserslautern
Telefon: (0631) 205-48 23
Telefax: (0631) 205-38 72
E-Mail: schaefer@mv.uni-kl.de
Internet: vpe.mv.uni-kl.de
https://www.facebook.com/LehrstuhlVPE
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Foto: Jörg Bien 2012
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