Wie aus Nachhaltigkeitszielen technische Anforderungen werden: Sieben Ansätze für nachhaltige Produkte

Warum gute Absichten im Engineering nicht genügen

Ein Elektromotor zeigt, wie anspruchsvoll nachhaltige Produktentwicklung sein kann: Wird er vergossen, lässt sich der Wärmeverlust reduzieren. Gleichzeitig erschwert der Verguss das spätere Recycling. Was ist für den gesamten Lebenszyklus die nachhaltigere Lösung?

Eine pauschale Antwort gibt es darauf nicht. Materialeinsatz, Energieverbrauch, Lebensdauer, Reparierbarkeit und Recyclingfähigkeit können unterschiedliche oder sogar widersprüchliche Anforderungen an ein Produkt stellen. Entwicklungsteams müssen deshalb früh entscheiden, welche Nachhaltigkeitsziele für ihr System besonders wichtig sind und was daraus für die Konstruktion folgt.

Viele Hinweise zur nachhaltigen Produktgestaltung liegen bislang nur einzeln und in unterschiedlicher Qualität vor. Vor allem ist häufig unklar, wie Entwicklungsteams dieses Wissen in digitale Systemmodelle übertragen können. Das betrifft besonders komplexe mechatronische Systeme, in denen Mechanik, Elektronik und Software zusammenspielen.

Sieben Lösungsansätze statt einer Patentlösung

Die sieben Lösungsansätze orientieren sich an einer wissenschaftlichen Systematik von den Hollander et al. Fünf Kernansätze behandeln nachhaltige Materialien, Haltbarkeit, Wartung und Upgrades, Reparatur, Aufarbeitung und Wiederaufbereitung sowie recyclinggerechte Gestaltung.

Zwei weitere Ansätze ergänzen diese Schwerpunkte: Der erste beschäftigt sich mit den Informationen, die über ein System und seinen Lebenszyklus benötigt werden. Der zweite zeigt, wie sich Produkte so gestalten lassen, dass sie später leichter demontiert werden können.

„Wir wollten ein Hilfsmittel schaffen, das Nachhaltigkeit für Entwickelnde greifbar macht – strukturiert, direkt nutzbar und anschlussfähig an ihre bestehende Arbeitsweise“, sagt Projektleiter Luca Twardzik vom Fraunhofer IEM.

Entwicklungsteams können einen einzelnen Schwerpunkt auswählen oder mehrere Ansätze miteinander kombinieren. Welche davon sinnvoll sind, hängt vom Produkt und vom jeweiligen Entwicklungsziel ab.

Bei der Ausarbeitung achtete das Projektteam darauf, dass die Lösungsansätze übersichtlich, praktisch nutzbar und auf unterschiedliche technische Systeme übertragbar sind. Gleichzeitig sollten Entwicklungsteams sie innerhalb ihrer bestehenden modellbasierten Arbeitsweise verwenden können.

Von der Strategie zu Anforderungen und Funktionen

Jeder Lösungsansatz ist wie eine Karte mit zwei Seiten aufgebaut. Die Vorderseite zeigt, welches Ziel der Ansatz verfolgt und welche Nachhaltigkeitsaspekte dabei eine Rolle spielen. Die Rückseite beschreibt, wie Entwicklungsteams den Ansatz anwenden können.

Der Aufbau folgt einer im Model-Based Systems Engineering verbreiteten Reihenfolge, dem RFLP-Ansatz. Zunächst wird festgelegt, welche Anforderungen ein System erfüllen soll. Anschließend beschreiben die Entwickler:innen, welche Funktionen dafür notwendig sind. Die logische Architektur zeigt schließlich, wie diese Funktionen zusammenwirken können.

Wie das Produkt am Ende technisch aufgebaut wird, geben die Lösungsansätze bewusst nicht vor. Die vierte Ebene des RFLP-Ansatzes, die physische Architektur, bleibt deshalb offen. Dadurch können Unternehmen die Ansätze auf unterschiedliche Produkte und technische Systeme übertragen.

Beim Ansatz „Design for Maintenance & Upgrades“ kann es beispielsweise darum gehen, austauschbare Module oder erweiterbare Softwarekomponenten bereits in der Entwicklung mitzudenken. Produkte sollen dadurch länger genutzt und leichter angepasst werden können. Gleichzeitig können sich Ausfallzeiten und der Verbrauch neuer Ressourcen verringern.

Eine Arbeitsgrundlage für den Engineering-Alltag

Entscheidend ist, ob sich die Systematik in der industriellen Produktentwicklung nutzen lässt. Für Projektleiter Luca Twardzik zeigen die Rückmeldungen aus den beteiligten Unternehmen, welchen praktischen Beitrag die Lösungsansätze leisten können. „Unsere Industriepartner nutzen die Lösungsansätze als Leitfaden und Checkliste, aber auch als Ideengeber. Die strukturierte Darstellung hilft ihnen, Nachhaltigkeitsziele nicht nur zu formulieren, sondern in konkrete Entscheidungen für die Produktentwicklung zu übersetzen.“

Alle sieben Lösungsansätze sind auf der it’s OWL Innovationsplattform verfügbar. Für den Zugriff ist eine Anmeldung erforderlich.

Das it’s OWL Projekt Sustainable Lifecycle Engineering lief von Juni 2023 bis Mai 2026. Beteiligt waren Diebold Nixdorf, das Fraunhofer IEM, HARTING, Miele, Siemens Digital Industries Software, die Universität Paderborn, WAGO und das Wuppertal Institut.