Nachhaltige und effiziente Produktentwicklung - … · mit dem Integrierenden Nachhaltigkeitsdreieck ... Beispiel Leichtbau: Bisherige Struktur 830 kg Neue Struktur 783 kg P P P P

© 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


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


Visualisierung

Datenaggregation

Legacy Systeme

A

AA F

F F L

LL

P P P

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P

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P

MRP/ERP … TDM/PDM/PLM

Attribute

Engineering Arbeitsplatz der Zukunft

Standards: OSLC, AP 233, AP242XML, …

CAD-M/E, CASE

Produktmodelle

Prozessmodelle

Eco




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


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.






2

Fazit und Ausblick

4


1

Projekt ERMA

3


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.


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


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.


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


Schlüsselrolle der Produktentwicklung


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








2

Fazit und Ausblick

4


1

Projekt ERMA

3


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:


Projekt ERMA


Info

rma

tionsfluss

Integrierte Sicht im Projekt ERMA:

Zur ganzheitlichen Erfassung und Bewertung des Energie- und Ressourcenbedarfs



Ausgewählte Softwarelösungen zur

Erfassung der Umweltauswirkung eines

Produktes:

Einfluss auf Umwelt- (und Nachhaltigkeitsaspekte)

Kenntnisse über Umweltrelevanz und Nachhaltigkeitswirkung

Produktlebenszyklus

Anwendung von PLM-Methoden




Anforderungen:

• Grob spezifiziert: Strategieanforderungen, Kundenanforderungen, rechtliche Anforderungen

Projekt ERMA


Quelle: Bach, P. 2013 – „Der Entwicklungsprozess eines Mobilbaggers“ .




Projektplan:

• Global Development Process

Spezifikation der Anforderungen

Konzepterstellung und Konzeptauswahl

Projektabschätzung

Aufwand- und Kostenabschätzung

Lastenheft

Projekt ERMA






Entwicklung:

• Ausarbeitung von Teilsystemen und Alternativen:

Projekt ERMA



Beispiel Leichtbau:

Bisherige Struktur 830 kg

Neue Struktur 783 kg

P P P

P

P

P P

P

Materialdeklaration

Masse [in kg]




Prozessplanung: • Werkzeugdesign, Herstellungsressourcenfestlegung, Einkauf, Zuliefererauswahl;

Projekt ERMA


Quelle: Volvo CE 2011.

Modelliert nach der OMEGA Methode von UNITY.

P P P

P

P

P P

P

Zuliefererinfo




Produktion:

• Herstellung, Zusammenbau, Qualitätsabsicherung

Projekt ERMA


Quelle: Volvo CE 2011.

Modelliert nach der OMEGA Methode von UNITY.

P P P

P

P

P P

P

Produktionsprozess Bearbeitungszeit

Energieverbrauch Stoffverbrauch Emissionen




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


Quelle: ERMA 2011.

P P P

P

P

P P

P

Betriebszyklen

Lastzyklen

Szenarien


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

eite

r Sch

ritt

Erg

eb

nis

dars

tellu

ng u

nd

Inte

rpre

tatio

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)






2

Fazit und Ausblick

4


1

Projekt ERMA

3


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:




Vielen Dank!

http://www.uni-kl.de/ERMA


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: [email protected]

Internet: vpe.mv.uni-kl.de

https://www.facebook.com/LehrstuhlVPE


Foto: Jörg Bien 2012

Documents

Nachhaltige und effiziente Produktentwicklung - … · mit dem Integrierenden Nachhaltigkeitsdreieck ... Beispiel Leichtbau: Bisherige Struktur 830 kg Neue Struktur 783 kg P P P P