DUMMY: Produktentwicklung

Bereits in frühen Entwicklungsphasen werden rund 80 % der späteren Kosten und Umweltauswirkungen eines Produkts durch Entscheidungen zu Herstellungsprozessen, Lieferketten und Produktmerkmalen festgelegt.

Konkret bestimmt die Produktentwicklung etwa 85 % der Herstellkosten sowie 70–80 % der gesamten Produktkosten – von der Herstellung über den Betrieb bis zur Entsorgung. Der Großteil dieser Kosten ist direkt auf konstruktive Entscheidungen zurückzuführen.* McAloone, T. C. und Pigosso, D. C. (2021): Ökodesign - Entwicklung von Produkten mit verbesserter Ökobilanz. In: Bender, B. und Gericke, K., Hg. Pahl/Beitz Konstruktionslehre. Methoden und Anwendung erfolgreicher Produktentwicklung. 9. Auflage 2021. Berlin, Heidelberg: Springer, S. 986. * Ehrlenspiel, K.; Kiewert, A.; Lindemann, U. und Mörtl, M. (2020): Kostengünstig Entwickeln und Konstruieren - Kostenmanagement bei der Integrierten Produktentwicklung. 8, Auflage, Berlin/Heidelberg: Springer, S. 15.

Produktentwicklung ist damit ein zentraler Hebel für:

• Zirkuläres Wirtschaften – Reparierbarkeit, Wiederverwendung und Recyclingfähigkeit eines Produkts lassen sich nur in der Entwicklungsphase gezielt gestalten
• Ressourceneffizienz – Materialwahl, Leichtbau und effizienter Ressourceneinsatz werden in der Konstruktion definiert
• Kostenreduktion – Nachträgliche Korrekturen sind aufwendig und teuer; ökonomisch und ökologisch nachhaltige Entscheidungen zahlen sich von Anfang an aus

Produktentwicklung trägt damit eine hohe ökonomische und ökologische Verantwortung: Entscheidungen für Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit wirken am stärksten, wenn sie früh im Produktentwicklungsprozess getroffen werden.

Produktentwicklung setzt dort an, wo Produkte angepasst, neu gedacht oder von Grund auf neu entwickelt werden müssen.* Gericke, K.; Bender, B.; Pahl, G.; Beitz, W.; Feldhusen, J. und Grote, K.-H. (2021): Der Produktentwicklungsprozess. In: Bender, B. und Gericke, K., Hg. Pahl/Beitz Konstruktionslehre. Methoden und Anwendung erfolgreicher Produktentwicklung. 9. Auflage 2021. Berlin, Heidelberg: Springer, S. 66.

Typische Auslöser sind zum Beispiel* Jackstien, K. und Vajna, S. (2014): Grundlagen des Integrated Design Engineering. In: Vajna, S., Hg. Integrated Design Engineering. Ein interdisziplinäres Modell für die ganzheitliche Produktentwicklung. Berlin: Springer Vieweg, S. 72. :

• Veränderte Rahmenbedingungen (Umweltschutz, Ressourcenknappheit, Gesetzgebung)
• Aufgetretene Produktfehler
• Innovationswille und Wettbewerbsdruck

Der allgemeine Produktentwicklungsprozess

Sobald ein interner oder externer Entwicklungsauftrag vorliegt, folgt die Produktentwicklung strukturierten Prozessen – iterativ und dynamisch, sodass neue Erkenntnisse jederzeit in frühere oder spätere Schritte einfließen können. Ein bewährter Rahmen ist das vierphasige Vorgehensmodell gemäß VDI 2221, das branchenunabhängig anwendbar ist. Ergebnis ist stets ein freigegebener Produktentwurf mit vollständiger technischer Produktdokumentation.* Gericke, K.; Bender, B.; Pahl, G.; Beitz, W.; Feldhusen, J. und Grote, K.-H. (2021): Der Produktentwicklungsprozess. In: Bender, B. und Gericke, K., Hg. Pahl/Beitz Konstruktionslehre. Methoden und Anwendung erfolgreicher Produktentwicklung. 9. Auflage 2021. Berlin, Heidelberg: Springer, S. 61.

Weitere etablierte Modelle im Überblick:

• Modell nach Pahl und Beitz* Gericke, K.; Bender, B.; Pahl, G.; Beitz, W.; Feldhusen, J. und Grote, K.-H. (2021): Der Produktentwicklungsprozess. In: Bender, B. und Gericke, K., Hg. Pahl/Beitz Konstruktionslehre. Methoden und Anwendung erfolgreicher Produktentwicklung. 9. Auflage 2021. Berlin, Heidelberg: Springer, S. 86.

• V-Modell (mechatronische Produkte)*

• IDE-Modell* Vajna, S. (2014): Ganzheitliches Vorgehensmodell des IDE. In: Vajna, S., Hg. Integrated design engineering. Ein interdisziplinäres Modell für die ganzheitliche Produktentwicklung. Berlin: Springer Vieweg, S. 376.

• SCRUM* Sutherland, J. J. (2020): Das Scrum-Praxisbuch, Campus Verlag, Weinheim

• Design Thinking* Plattner, H.; Meinel, C. und Weinberg, U. (2009): Design Thinking - Innovation lernen; Ideenwelten öffnen, mi-Wirtschaftsbuch Finanzbuch Verl., München

• Double Diamond Modell* Banathy, B. H. (1996): Designing Social Systems in a Changing World, Springer US; Imprint Springer, Boston, MA, Contemporary Systems Thinking

Daneben erfordert beispielsweise die gezielte Entwicklung von hybriden Produkten bzw. Produkt-Service-Systemen die frühe Integration von Aspekten und Tätigkeiten der Dienstleistungsentwicklung und Geschäftsmodellentwicklung in den Entwicklungsprozess.* Gräßle, M.; Thomas, O.; Fellmann, M. und Krumeich, J. (2010): Vorgehensmodelle des Product-Service Systems Engineering - Überblick, Klassifikation und Vergleich. In: Böhmann, T. und Leimeister, J.M., Hg. Integration von Produkt und Dienstleistung. Hybride Wertschöpfung. auf der Multikonferenz Wirtschaftsinformatik (MKWI) 2010, 23. bis 25.02.2010 an der Georg-August-Universität Göttingen. Göttingen: Universitätsverlag Göttingen, S. 2033. * Lüttenberg, H.; Wolf, V. und Beverungen, D. (2018): Service (Systems) Engineering für die Produktion. In: Meyer, K.; Klingner, S. und Zinke, C., Hg. Service Engineering. Von Dienstleistungen zu digitalen Service-Systemen. Wiesbaden: Springer Vieweg, S. 44.

Der integrierte Produktentwicklungsprozess

Der oben dargestellte allgemeine Produktentwicklungsprozess bildet den Kern der technischen Produktentwicklung – auch bekannt als „Entwickeln und Konstruieren":

• Entwicklung bezeichnet dabei den übergeordneten Unternehmensbereich

• Konstruktion ist ein Teilprozess innerhalb der Entwicklung

Begleitprozesse & abteilungsübergreifende Zusammenarbeit: Neben dem Kernprozess sind unterstützende Begleitprozesse notwendig – parallel, vor- oder nachgelagert. Ihre enge Verzahnung mit anderen Unternehmensbereichen erfordert abteilungsübergreifende Abstimmung, Vernetzung und Kooperation.

Das Ergebnis: kürzere Entwicklungszeiten, geringere Kosten und höhere Produktqualität.

Eine solche abteilungsübergreifende Zusammenarbeit, die die gegebenen Rahmenbedingungen im Unternehmen ebenso berücksichtigt wie die ganzheitlichen Anforderungen bzw. Bedürfnisse aller an der Produktentstehung beteiligten Unternehmensbereiche, wird unter dem Begriff der integrierten Produktentwicklung zusammengefasst.* Gericke, K.; Bender, B.; Pahl, G.; Beitz, W.; Feldhusen, J. und Grote, K.-H. (2021): Der Produktentwicklungsprozess. In: Bender, B. und Gericke, K., Hg. Pahl/Beitz Konstruktionslehre. Methoden und Anwendung erfolgreicher Produktentwicklung. 9. Auflage 2021. Berlin, Heidelberg: Springer, S. 87. * Ehrlenspiel, K. und Meerkamm, H. (2017): Integrierte Produktentwicklung - Denkabläufe, Methodeneinsatz, Zusammenarbeit. 6. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage, München: Hanser Verlag, S. 9.

Stakeholderbeteiligung im Produktentwicklungsprozess

Im Produktentwicklungsprozess werden kontinuierlich Entscheidungen und Kompromisse getroffen. Gerade bei komplexen technischen Produkten ist die Berücksichtigung verschiedener Anforderungen von Stakeholdern entlang der gesamten Wertschöpfungskette eine grundlegende Voraussetzung für Markterfolg und Nachhaltigkeit – und erfordert Fachkenntnisse aus unterschiedlichen Disziplinen. Sowohl unternehmensinterne als auch -externe Stakeholder stellen Anforderungen an ein Produkt:

Zirkuläres und ressourceneffizientes Produktentwickeln zielt darauf ab, Produkte so zu gestalten (Produktgestaltung), dass der Einsatz primärer und natürlicher Ressourcen über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg gering ausfällt, ohne dabei die Funktionsfähigkeit oder den Nutzen zu beeinträchtigen. Vielmehr soll der Nutzen des Produktes für eine Langlebigkeit ausgelegt werden. 

Produktgestaltung nach Prinzipien des Ökodesigns

Ökodesign (Ecodesign) ist ein Ansatz der nachhaltigen Produktentwicklung mit dem Ziel, die negativen Umweltauswirkungen eines Produkts so weit wie möglich zu minimieren.* McAloone, T. C.; Pigosso, D.C.A. (2021): Ökodesign. Entwicklung von Produkten mit verbesserter Ökobilanz. In: Bender, B. und Gericke, K. (Hg.): Pahl/Beitz Konstruktionslehre. Methoden und Anwendung erfolgreicher Produktentwicklung. 9. Auflage 2021. Berlin, Heidelberg: Springer (Springer eBook Collection), S. 975–1021, S. 985f.

Die Methodik bietet einen gezielten Hebel, um den Ressourceneinsatz zu senken und die Grundlage für eine konsequente Kreislaufführung zu legen.

Die übergeordneten Ziele des Ökodesigns:

• Ressourcenschonung – geringerer Einsatz natürlicher Ressourcen

• Abfallvermeidung – Verhinderung nicht wiederverwertbarer Abfälle

• Schadstofffreiheit – Verzicht auf umwelt- und gesundheitsgefährdende Stoffe und Verfahren

• Kreislaufführung – Rückführung von Produkten und Materialien in den Wertstoffkreislauf

• Emissionsreduktion – Vermeidung von Emissionen in die Umwelt* van Doorsselaer, K.; Koopmans, R.J. (2021): Ecodesign. A Life Cycle Approach for a Sustainable Future. München: Carl Hanser Verlag, S. 35ff.

Das Ecodesign umfasst 6 Prinzipien aus denen Anforderungen für eine umweltgerechte Produktgestaltung abgeleitet werden können.* Ökopol; IDZ: Ecodesign Kit. Einleitung Ökodesignprinzipien. Herausgegeben von BMU und UBA (abgerufen am: 30.01.2026).

Diese sollen die Anforderungsliste neben den weiterhin relevanten technischen und wirtschaftlichen Anforderungen ergänzen. Um aus den Prinzipien konkrete Anforderungen abzuleiten, stellt das Umweltbundesamt Fragen für Designerinnen und Designer bereit, die wie eine Art Checkliste auf die wichtigen Funktionen und Eigenschaften hinweisen. 

Produktgestaltung nach dem Prinzip Design for X

Design-for-X (DfX) bezeichnet eine Sammlung von Gestaltungsstrategien in der Produktentwicklung, die darauf abzielen, ein Produkt gezielt auf ein bestimmtes Ziel (das „X") hinzuoptimieren. Das „X" steht dabei für eine spezifische Anforderung – etwa Recyclingfähigkeit, Montierbarkeit oder Langlebigkeit. 

DfX-Strategien werden in der Entwurfs- und Ausarbeitungsphase angewendet und ermöglichen es, Produkteigenschaften frühzeitig und systematisch auf ökologische, wirtschaftliche oder technische Ziele auszurichten.

Ausgewählte Design-for-X-Strategien im Überblick* Pahl/Beitz Konstruktionslehre (2021): Bender, B. & Gericke, K. (Hg.). Methoden und Anwendung erfolgreicher Produktentwicklung. Berlin, Heidelberg: Springer.

Design for Disassembly (DfD) heißt, ein Produkt so zugestalten, dass es am Ende des Lebenszyklus einfach und zerstörungsfrei zerlegt werden kann – zur Wiederverwendung von Bauteilen oder Materialrückgewinnung.

Design for Recycling (DfR) heißt, die Materialwahl und Verbindungstechnik so auszurichten, dass Werkstoffe nach Gebrauch effizient in den Materialkreislauf zurückgeführt werden können.

Design for Reuse (DfRe) heißt, dass Komponenten oder das gesamte Produkt auf mehrfache Nutzungszyklen auslegen – durch robuste Konstruktion und standardisierte Schnittstellen

Design for Repair (DfRep) heißt, die Reparierbarkeit durch zugängliche Baugruppen, verfügbare Ersatzteile und einfache Austauschbarkeit sicherzustellen.

Design for Circularity (DfC) heißt, dass ein Produkt ganzheitlich auf Kreislauffähigkeit ausgerichtet wird. DfC kombiniert Aspekte aus DfD, DfR, DfRe und DfRep

Design for Environment (DfE) heißt, die Umweltauswirkungen des Produktes über den gesamten Lebenszyklus zuminimieren – von der Rohstoffgewinnung bis zur Entsorgung.

Design for Manufacturing (DfM) heißt fertigungsgerecht zu gestalten, um Herstellungskosten, Ausschuss und Produktionskomplexität zu reduzieren.

Entsprechend der gewählten DfX-Strategie gibt es für jeden Schritt des Produktentwicklungsprozesses spezifische Aktivitäten, um die Potenziale der Zirkularität und Ressourceneffizienz zu heben. Beispielhaft sind folgend die Gestaltungsrichtlinien für eine recyclingorientierte Produktentwicklung (DfR) je Prozessschritt in der Produktentwicklung aufgeführt.* Suhr, M. (1996): Wissensbasierte Unterstützung recyclingorientierter Produktgestaltung, Schriftenreihe Konstruktionstechnik. 33, TU Berlin * Wende, A. (1994): Integration der recyclingorientierten Produktgestaltung in den methodischen Konstruktionsprozeß. Fortschritt-Berichte VDI Reihe 1, Nr. 239. Düsseldorf: VDI-Verlag

 

 

 

Produktgestaltung für Produkt-Service-Systeme

Ein Produkt-Service-System (PSS) ist eine vermarktbare Kombination aus Produkten und Dienstleistungen, die gemeinsam einen Nutzerbedarf erfüllen. Je nach Schwerpunkt wird zwischen drei Typen unterschieden:

• Produktorientiertes PSS – das Produkt steht im Vordergrund, ergänzt durch begleitende Dienstleistungen
• Nutzungsorientiertes PSS – der Zugang zur Nutzung des Produkts wird vermarktet, nicht das Produkt selbst
• Ergebnisorientiertes PSS – der Anbieter liefert ein definiertes Ergebnis, unabhängig vom eingesetzten Produkt

Besonders bei nutzungs- und ergebnisorientierten PSS kommt der Produktgestaltung eine zentrale Rolle zu: Bereits in der Produktentwicklungsphase sollte auf eine demontage-, reparatur- und instandhaltungsgerechte sowie nutzungsoptimierte, recycling- und entsorgungsgerechte Gestaltung geachtet werden.

Eine durchdachte Produktgestaltung wirkt sich damit sowohl positiv auf die ökonomische als auch auf die ökologische Bilanz von PSS-Anbietern aus.

Zielkonflikte

Ein Zielkonflikt entsteht, wenn zwei Zielvorgaben einander entgegenstehen und nicht gleichzeitig erfüllt werden können. In diesem Fall muss eine Lösung gefunden werden, die entweder ein Ziel priorisiert oder einen tragfähigen Kompromiss herstellt.

Typische Beispiele:

• Qualität vs. Preis – ein höherer Qualitätsanspruch geht häufig mit steigenden Kosten einher
• Langlebigkeit vs. nachwachsende Rohstoffe – biobasierte Materialien erfüllen Anforderungen an die Lebensdauer oft nur eingeschränkt

Umgang mit Zielkonflikten: Im Idealfall lässt sich ein Zielkonflikt durch eine erweiterte Lösungssuche auf einer anderen Ebene auflösen – etwa indem nicht nach dem besseren Material gesucht wird, sondern die Verpackung gänzlich vermieden wird.

Ist das nicht möglich, braucht es eine strukturierte Bewertungsgrundlage: Verschiedene Lösungskonzepte werden anhand möglichst fundierter Informationen verglichen und in vergleichbaren Werten gegenübergestellt – je nach Priorisierung lässt sich so eine Entscheidung ableiten.

Lebenszyklusanalysen liefern dabei wertvolle Erkenntnisse zu Kostenstruktur, Emissionen und weiteren Umweltauswirkungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette.* Wartzack, S. (2021). Auswahl- und Bewertungsmethoden. In: Bender, B. und Gericke, K., Hg. Pahl/Beitz Konstruktionslehre. Methoden und Anwendung erfolgreicher Produktentwicklung. 9. Auflage 2021. Berlin, Heidelberg: Springer, S. 309 * van Doorsselaer, K. und Koopmans, R. J. (2021): Ecodesign - A Life Cycle Approach for a Sustainable Future, München: Carl Hanser Verlag, S. 159.

Die ressourceneffiziente Produktentwicklung erfordert einen ganzheitlichen Blick entlang des gesamten Produktlebenszyklus bzw. Produktlebenswegs. Hierbei gilt allgemein, dass die Ergebnisse der Produktentwicklung von den Anforderungen der jeweiligen Lebenswegphasen und Agierenden abhängen und beeinflusst werden. Das bedeutet wiederum, dass jede Festlegung von Produkteigenschaften (Funktion, Gestalt, Werkstoff, Wirkprinzip, Eigenschaften) und Prozessen (Fertigung, Entsorgung) den gesamten Lebensweg beeinflusst.* VDI 4800 Blatt 1:2016-02: Verein Deutscher Ingenieure e.V., Ressourceneffizienz – Methodische Grundlagen, Prinzipien und Strategien, Berlin: Beuth Verlag GmbH, S. 33f.

Diese Festlegungen bestimmen bspw. den Ressourceneinsatz und die Umweltauswirkungen des Produkts in den verschiedenen Lebenswegphasen. Zur Minimierung schädlicher Folgen sind die Auswirkungen auf die Lebensphasen ganzheitlich zu berücksichtigen, zu analysieren, zu simulieren und zu bewerten., Daraus lassen sich Rückschlüsse für die Entwicklung des Produkts ziehen.* Anderl, R. und Melk, K. (2005): Introduction. In: Abele, E.; Anderl, R. und Birkhofer, H., Hg. Environmentally-Friendly Product Development. Methods and Tools. London: Springer, S. 5.

Analyse der Umweltauswirkungen

Jede Inanspruchnahme natürlicher Ressourcen ist mit der Entstehung von Emissionen verbunden und ruft Umweltauswirkungen hervor.* McAloone, T. C.; Pigosso, D. C.A. (2021): Ökodesign. Entwicklung von Produkten mit verbesserter Ökobilanz. In: Bender, B. und Gericke, K. (Hg.): Pahl/Beitz Konstruktionslehre. Methoden und Anwendung erfolgreicher Produktentwicklung. 9. Auflage 2021. Berlin, Heidelberg: Springer, S. 975-1021, S. 984.

Umweltauswirkungen bezeichnen hierbei Veränderungen der Umwelt, die dem Produkt während seines Lebenszyklus ganz oder zum Teil zugeschrieben sind und Schäden am Ökosystem verursachen. Sie werden in verschiedene Wirkungskategorien eingeteilt, welche gleichzeitig die Grundlage für die Ergebnisse der Ökobilanz bilden.* McAloone, T. C.; Pigosso, D. C.A. (2021): Ökodesign. Entwicklung von Produkten mit verbesserter Ökobilanz. In: Bender, B.; Gericke, K. (Hg.): Pahl/Beitz Konstruktionslehre. Methoden und Anwendung erfolgreicher Produktentwicklung. 9. Auflage 2021. Berlin, Heidelberg: Springer, S. 975-1021, S. 983.

Die Kategorisierung ist nicht standardisiert und unterscheidet sich in den verschiedenen Ökobilanz-Methoden.* van Doorsselaer, K.; Koopmans, R. J. (2021): Ecodesign. A Life Cycle Approach for a Sustainable Future. München: Carl Hanser Verlag (Hanser eLibrary), S. 109.

Der Umfang dieser Auswirkungen hängt von der Auswahl und dem Einsatz der Rohstoffe im Produkt ab, ihrer Gewinnung und Verarbeitung, den Produktionsprozessen, der Verpackung, der Distribution und dem Transport, der Montage und Installation, der Nutzung mit Wartung und Reparatur sowie der Entsorgung am Produktlebensende mit ihren Verwertungsverfahren.* Europäisches Parlament und Europäischer Rat (2009): Richtlinie 2009/125/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 21. Oktober 2009 zur Schaffung eines Rahmens für die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte. Ökodesign-Richtlinie. Fundstelle: ABl, L 285/10 (abgerufen am: 19.07.2022).

Bewertungsmethoden der Umweltauswirkungen

Zur Abschätzung ökologischer und ökonomischer Folgen der im Rahmen der Produktentwicklung getroffenen Entscheidungen, ist eine Bewertung der Zirkularität und Ressourceneffizienz über den gesamten Lebensweg notwendig. Eine Bewertung kann je nach gewählter Methode die zu erwartende Ressourceninanspruchnahme, entstehende Abfälle oder potenzielle Umweltbelastungen qualitativ oder quantitativ erfassen.

Die Bestimmung der Einsatzmenge von Material und Energie über den Lebenszyklus erfolgt dabei über Indikatoren, aus denen sich Rückschlüsse auf die Ressourceneffizienz ziehen lassen:

• kumulierter Rohstoffaufwand (KRA)
• kumulierter Energieaufwand (KEA)

Für Analyse und Bewertung der mit der Ressourcennutzung verbundenen Umweltauswirkungen über den Lebensweg stehen verschiedene Methoden zur Verfügung:* Lange, U. und Oberender, C. (2017): VDI ZRE Publikationen: Kurzanalyse Nr. 20: Ressourceneffizienz durch Maßnahmen in der Produktentwicklung. Berlin: VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH (VDI ZRE), S. 41.

• Ökobilanz
• CO₂-Bilanz bzw. CO₂-Fußabdruck
• ECO-Indicator 99
• MET-Matrix
• Produktlinienanalyse (PLA)
• Ökoeffizienz-Analyse