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Die Entscheidungen in der Produktentwicklung beeinflussen wesentlich und unmittelbar den Ressourceneinsatz, die Umweltauswirkungen und die entstehenden Kosten entlang des gesamten Lebenszyklus von Produkten. Hierin zeigt sich deutlich die ökologische und ökonomische Verantwortung der Produktentwicklung. So werden etwa 80 Prozent der späteren Umweltauswirkungen des Produkts bereits in den frühen Phasen der Produktentwicklung festgelegt – unter anderem im Zuge der Definition der:
Zum anderen legt die Produktentwicklung etwa 85 Prozent der Herstellkosten* VDI 4800 Blatt 1:2016-02: Verein Deutscher Ingenieure e.V., Ressourceneffizienz – Methodische Grundlagen, Prinzipien und Strategien, Berlin: Beuth Verlag GmbH, S. 34. sowie zwischen 70 und 80 Prozent der späteren Produktkosten (Herstellkosten, Betriebskosten, Entsorgungskosten) fest, wobei ihre Höhe größtenteils auf Entscheidungen in der Konstruktion zurückzuführen ist.* 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. * Ehrlenspiel, K. und Meerkamm, H. (2017): Integrierte Produktentwicklung - Denkabläufe, Methodeneinsatz, Zusammenarbeit. 6. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage, München: Hanser, S.801.
Produkte zu entwickeln bedeutet, neue Lösungen zu einer Problemstellung zu finden und modellhaft darzustellen. Die Problemstellung ist hierbei Auslöser der Entwicklung und kann beispielsweise ein ermittelter Zielgruppenbedarf, ein zu behebender Produktfehler, der Wettbewerbsdruck beispielsweise nach vermehrt digitalen Services oder ein geändertes Produktumfeld (Umweltschutz, zunehmende Ressourcenknappheit, Gesetzeslage) sein.* 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.
In dieser Weise wird die Produktentwicklung also als Problemlösungsprozess betrachtet, für den, neben dem rationalen logischen Denken, die Kreativität des Menschen neue Ideen und Lösungswege ermöglicht.* Gericke, K.; Bender, B.; Pahl, G.; Beitz, W.; Feldhusen, J. und Grote, K.-H. (2021): Grundlagen methodischen Vorgehens in der Produktentwicklung. In: Bender, B. und Gericke, K., Hg. Pahl/Beitz Konstruktionslehre. Methoden und Anwendung erfolgreicher Produktentwicklung. 9. Auflage 2021. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, S. 40ff. * 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. 61ff. * VDI 2221 Blatt 1:2019-11: Verein Deutscher Ingenieure e.V., Entwicklung technischer Produkte und Systeme - Modell der Produktentwicklung, Berlin: Beuth Verlag GmbH, S. 22.
© VDI ZRE (in Anlehnung an VDI 2221 Blatt 1)Die Produktentwicklung als Problemlösungsprozess
Die Produktentwicklung stellt einen grundlegenden Teil der gesamten Produktentstehung dar, die auch die Produktplanung und Produktherstellung umfasst.*
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. 59.
Die Produktentwicklung erfolgt sobald ein interner oder externer Entwicklungsauftrag vorliegt, der zugleich die Aufgabenstellung an die Entwicklung festlegt.*
Bender, B. und Gericke, K. (2021): Entwickeln der Anforderungsbasis: Requirements Engineering. In: Bender, B. und Gericke, K., Hg. Pahl/Beitz Konstruktionslehre. Methoden und Anwendung erfolgreicher Produktentwicklung. 9. Auflage 2021. Berlin, Heidelberg: Springer, S. 180.
Das Ergebnis ist ein zur Herstellung freigegebener Produktentwurf mit zugehöriger technischer Produktdokumentation.
Die Produktentwicklung folgt einem allgemein gefassten, branchenunabhängigen Vorgehen und systematischen Prozess, der in vier übergreifende Hauptarbeitsphasen eingeteilt werden kann:
© VDI ZRE
Übergeordnetes Ziel ist hier entweder die Neukonstruktion, die Anpassungskonstruktion oder die Variantenkonstruktion*
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.
eines Produktes.
Die Neukonstruktion durchläuft dabei alle Produktentwicklungsphasen von Beginn an. Im Falle der Anpassungskonstruktion wird auf ein gegebenes Lösungskonzept zurückgegriffen, da es sich hierbei in der Regel um die Verbesserung eines bestehenden Produkts handelt. Im Zuge dessen wird der Entwurf an die geänderten Anforderungen an das Produkt angepasst.*
Ehrlenspiel, K. und Meerkamm, H. (2017): Integrierte Produktentwicklung - Denkabläufe, Methodeneinsatz, Zusammenarbeit. 6. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage, München: Hanser, S. 904.
Die Variantenkonstruktion ist eine besondere Form der Produktverbesserung und greift ebenso auf einen vorgegebenen Entwurf zurück, der dann aufgrund von Leistungs- oder Schnittstellenanforderungen der Kundschaft verändert wird. Werkstoff und Fertigungsverfahren bleiben hier jedoch weitgehend gleich.*
Ehrlenspiel, K. und Meerkamm, H. (2017): Integrierte Produktentwicklung - Denkabläufe, Methodeneinsatz, Zusammenarbeit. 6. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage, München: Hanser, S. 424, 915.
Die Phase „Klären der Aufgabe“ (auch Spezifikationsphase*
Schindler, C. (2018): Der allgemeine Konstruktionsprozess - Grundlagen des methodischen Konstruierens. In: Rieg, F. und Steinhilper, R., Hg. Handbuch Konstruktion. 2., aktualisierte Auflage. München: Hanser, S. 422.
oder Projektdefinitionsphase*
Kirchner, E. (2020): Werkzeuge und Methoden der Produktentwicklung, Berlin, Heidelberg: Springer, S. 37.
) beginnt, sobald ein interner oder externer (Kunden) Entwicklungsauftrag vorliegt, der die Aufgabenstellung an die Entwicklung festlegt und ggf. schon detaillierte Anforderungen an das Produkt stellt.*
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. 58.
*
Bender, B. und Gericke, K. (2021): Entwickeln der Anforderungsbasis: Requirements Engineering. In: Bender, B. und Gericke, K., Hg. Pahl/Beitz Konstruktionslehre. Methoden und Anwendung erfolgreicher Produktentwicklung. 9. Auflage 2021. Berlin, Heidelberg: Springer, S. 180.
Sie umfasst die Analyse der initialen Anforderungen sowie ihre Ergänzung oder Überarbeitung durch Sammlung relevanter Informationen zu den einzelnen Produktanforderungen und bestehenden Bedingungen der Entwicklung. Sie endet mit der Präzisierung der Aufgabenstellung und der Erstellung einer noch qualitativen Anforderungsliste – dem sogenannten Lastenheft – bzw. bei einer Auftragsentwicklung zusätzlich mit einem Pflichtenheft (oft auf Basis eines noch vorläufigen Lösungskonzepts oder einer Produktidee).*
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. 67.
*
Bender, B. und Gericke, K. (2021): Entwickeln der Anforderungsbasis: Requirements Engineering. In: Bender, B. und Gericke, K., Hg. Pahl/Beitz Konstruktionslehre. Methoden und Anwendung erfolgreicher Produktentwicklung. 9. Auflage 2021. Berlin, Heidelberg: Springer, S. 183ff.
*
Kauf, F. (2021): Kostenmanagement. In: Bender, B. und Gericke, K., Hg. Pahl/Beitz Konstruktionslehre. Methoden und Anwendung erfolgreicher Produktentwicklung. 9. Auflage 2021. Berlin, Heidelberg: Springer, S. 956.
In der „Konzeptphase“ erfolgt die Erstellung von prinzipiellen Produktvarianten auf Basis der gesammelten Informationen und spezifizierten Anforderungen der Aufgabenklärung, ihrer Abstraktion auf die wesentlichen Probleme, sowie einer Definition der Produktfunktionen bzw. Funktionsstruktur und der verschiedenen Wirkprinzipien (Geometrie, Werkstoff, physikalische Effekte). Sie endet mit dem Auswählen eines oder mehrerer Lösungskonzepte durch Bewertung. Dabei sind die wichtigsten Produkteigenschaften definiert, die Entwicklungsziele in konkrete Anforderungen überführt und die prinzipielle Lösung festgelegt.*
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. 68.
*
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. 998.
Die „Entwurfsphase“ überführt das gewählte Lösungskonzept in ein herstellbares Produkt.*
Kirchner, E. und Neudörfer, A. (2021): Grundregeln der Gestaltung. In: Bender, B. und Gericke, K., Hg. Pahl/Beitz Konstruktionslehre. Methoden und Anwendung erfolgreicher Produktentwicklung. 9. Auflage 2021. Berlin, Heidelberg: Springer, S. 467.
Hier werden die Abmessungen, Werkstoffe und die Baustruktur hinsichtlich technischer Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit festgelegt – in der Regel über mehrere Entwurfsvarianten und Iterationsschleifen hinweg. Am Ende dieses Prozesses liegt ein endgültiger Gesamtentwurf vor, der dann zur Ausarbeitung bereitsteht.*
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. 69.
Die „Ausarbeitungsphase“ legt den finalen Entwurf sowie die technische Produktdokumentation (bspw. technische Zeichnungen, Stücklisten, Ablauf- und Schaltpläne) fest, die für die anschließende Realisierung des Produkts erforderlich sind. Hierbei ist das Endprodukt im Hinblick auf seine Baustruktur, Abmessungen, Werkstoffe, Oberflächenbeschaffenheit, die Fertigungsverfahren und die endgültigen Kosten vollständig definiert.*
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. 70.
*
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. 1004.
*
Kirchner, E. und Neudörfer, A. (2021): Grundregeln der Gestaltung. In: Bender, B. und Gericke, K., Hg. Pahl/Beitz Konstruktionslehre. Methoden und Anwendung erfolgreicher Produktentwicklung. 9. Auflage 2021. Berlin, Heidelberg: Springer, S. 467.
*
Vajna, S. und Schabacker, M. (2021): Produktdokumentation. In: Bender, B. und Gericke, K., Hg. Pahl/Beitz Konstruktionslehre. Methoden und Anwendung erfolgreicher Produktentwicklung. 9. Auflage 2021. Berlin, Heidelberg: Springer, S. 906.
Die Phasen der Produktentwicklung werden aufeinanderfolgend, aber nicht starr geradlinig, sondern mitunter iterativ durchlaufen. Gründe dafür sind, dass der Entwicklungsprozess in der Regel dynamisch verläuft, sich das zu lösende Problem oder zumindest Teile davon verändern, sich neue Erkenntnisse ergeben, Fehler auftreten und daher Anpassungen am entwickelnden Produkt notwendig werden.*
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.
Zudem sind die Hauptphasen und ihre Inhalte nicht immer scharf voneinander trennbar. Die Phasen selbst enthalten wiederum untergeordnete Prozesse und Aktivitäten.
Das Schaubild zum Prozess der Produktentwicklung ist stark verallgemeinert.
Die tatsächliche Ausgestaltung eines Vorgehensmodells für den spezifischen Anwendungsfall legt das entwickelnde Unternehmen selbst fest, wobei die VDI 2221 Blatt 2 hier eine fundierte Orientierungshilfe bietet.
Im Geschäftsalltag existieren derweil verschiedene Vorgehensmodelle wie z. B. das 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.
, das V-Modell für mechatronische Produkte*
VDI/VDE 2206:2021-11: VDI/VDE-Fachbereich Autonome Systeme & Mechatronik, Entwicklung mechatronischer und cyber-physischer Systeme, Beuth Verlag GmbH.
, das 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, sowie den Design Thinking-Prozess, auf die zurückgegriffen werden kann. 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 oben schematisch dargestellte Produktentwicklungsprozess stellt nur den Kern der technischen Produktentwicklung dar. Er wird auch als Prozess des „Entwickelns und Konstruierens“ bezeichnet. Allerdings steht der Begriff Entwicklung in diesem Fall für einen eigenen Unternehmensbereich (neben der Produktion oder der Buchhaltung), während der Begriff Konstruktion einen Teilprozess der Entwicklung abbildet.*
VDI 2221 Blatt 1:2019-11: Verein Deutscher Ingenieure e.V., Entwicklung technischer Produkte und Systeme - Modell der Produktentwicklung, Berlin: Beuth Verlag GmbH, S. 27.
*
Ehrlenspiel, K. und Meerkamm, H. (2017): Integrierte Produktentwicklung - Denkabläufe, Methodeneinsatz, Zusammenarbeit. 6. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage, München: Hanser Verlag, S. 12.
Für die erfolgreiche Projektabwicklung sind noch weitere unterstützende Begleitprozesse der Produktentwicklung notwendig, die entweder parallel ablaufen oder vor- und nachgelagert sind. Die einhergehenden Wechselwirkungen zwischen den entsprechenden Unternehmensbereichen der Produktentstehung erfordern die abteilungsübergreifende Abstimmung, Vernetzung und Kooperation.*
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. 73.
Das Resultat ist eine Verkürzung der Entwicklungszeit bei niedrigeren Kosten und gleichzeitig gesteigerter Produktqualität.*
Ehrlenspiel, K. und Meerkamm, H. (2017): Integrierte Produktentwicklung - Denkabläufe, Methodeneinsatz, Zusammenarbeit. 6. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage, München: Hanser Verlag, S. 236.
© VDI ZRE in Anlehnung an Gericke et al. (2021)
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.
In der Entwicklung werden kontinuierlich Entscheidungen und Kompromisse zur Lösungsentstehung getroffen. Die Berücksichtigung der verschiedenen Anforderungen bzw. Bedürfnisse von unterschiedlichen Stakeholdern entlang der gesamten Wertschöpfungskette, aber auch die des entwickelnden Unternehmens selbst an das Produkt, ist gerade bei komplexen technischen Produkten grundlegende Voraussetzung für den Markterfolg sowie die Nachhaltigkeit eines Produkts und erfordert Fachkenntnisse aus unterschiedlichen Fachdisziplinen.
Mögliche Anforderungen von unternehmensinternen wie -externen Stakeholdern an ein Produkt können sein:
© VDI ZRE
Die Produktentwicklung macht daher zum einen die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Personen aus dem Ingenieurwesen, dem Industriedesign, der Betriebswirtschaft und dem Recht erforderlich.*
VDI 2221 Blatt 1:2019-11: Verein Deutscher Ingenieure e.V., Entwicklung technischer Produkte und Systeme - Modell der Produktentwicklung, Berlin: Beuth Verlag GmbH, S. 24.
*
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. 57.
Zum anderen ist die Partizipation externer Stakeholder von großer Relevanz. So führt beispielsweise die Einbindung der Zielgruppe in die Produktentwicklung im Rahmen der Co-Creation o.ä. zum Ausschluss des Risikos von sogenanntem Customer Mismatch, Over Engineering, frühzeitiger Entsorgung und letztlich zu einer nutzungsgerechten Gestaltung.*
Schmitt, R. und Pfeifer, T. (2015): Qualitätsmanagement - Strategien - Methoden - Techniken. 5., überarb. Auflage, München: Carl Hanser Verlag, S. 145.
Die Repräsentanz von Zuliefernden im Entwicklungsteam wiederum ermöglicht die frühzeitige Abstimmung und Sicherstellung der Qualitätsanforderungen an die Zukaufteile, die Diskussion über Bauteildesign, Fertigbarkeit und Recycelbarkeit, die Vergabe von Entwicklungsaufträgen, die frühzeitige und schnelle Anpassung von technischen Änderungen während des Produktionsanlaufs sowie die Etablierung langfristiger Partnerschaften.*
Wlazlak, P.; Säfsten, K.; Hilletofth, P. und Johansson, G. (2018): Integration of Suppliers’ Workflows in the OEMs’ New Product Development Process. In: Procedia Manufacturing, 25, S. 483ff.
In Bezug auf die recyclinggerechte Gestaltung ist die Absprache mit den Entsorgungsunternehmen wesentlich. So muss die Produktentwicklung neben der Information zur Recycelbarkeit der Materialien aus der Zulieferung auch über den Prozess der Sammlung, Vorbehandlung, Sortierung und Aufbereitung sowie über das effektive und wirtschaftliche Recycling informiert sein.*
van Doorsselaer, K. und Koopmans, R. J. (2021): Ecodesign - A Life Cycle Approach for a Sustainable Future, München: Carl Hanser Verlag, S. 37.
Die Berücksichtigung umfassender Anforderungen und die Vermeidung von Zielkonflikten kennzeichnet dabei die Ganzheitlichkeit der Produktentwicklung. Die bestmögliche Lösung ist hier ein Kompromis zwischen den vielfältigen technischen, wirtschaftlichen, ökologischen, normativen, gesetzlichen und nutzungszentrierten Anforderungen und Vorgaben, um die gewünschten Produktfunktionen und -merkmale im Interesse der Stakeholder zu erhalten.*
van Doorsselaer, K. und Koopmans, R. J. (2021): Ecodesign - A Life Cycle Approach for a Sustainable Future, München: Carl Hanser Verlag, S. 159.
*
VDI 2221 Blatt 1:2019-11: Verein Deutscher Ingenieure e.V., Entwicklung technischer Produkte und Systeme - Modell der Produktentwicklung, Berlin: Beuth Verlag GmbH, S. 33.
Ressourceneffizientes Produktentwickeln bedeutet, Produkte so zu gestalten, dass der Einsatz natürlicher Ressourcen über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg gering ausfällt, ohne dabei jedoch die Funktionsfähigkeit oder den Nutzen zu beeinträchtigen.
Die Entwicklung ressourceneffizienter Produkte folgt damit den Prinzipien der nachhaltigen Entwicklung. Diese besagen unter anderem, dass natürliche Ressourcen so schonend und emissionseinsparend wie möglich eingesetzt und verbraucht werden, dass sie auch nachfolgenden Generationen zur Bedürfnisbefriedigung zur Verfügung stehen. Außerdem darf ihre Verwendung nicht das ökologische Gleichgewicht gefährden, sondern muss vielmehr die weitere Regeneration der Ökosysteme gewährleisten.*
United Nations (1987): Report of the World Commission on Environment and Development - Our Common Future.
Ermöglicht wird die Umsetzung von Ressourceneffizienz in der Produktentwicklung u.a. durch eine umweltbewusste und ressourcenschonende Wahl von Material, Konstruktions- und Fertigungsverfahren, aber auch über die Anpassung oder Änderung des Geschäftsmodells. Auf diese Weise kann die Produktentwicklung in jeder Lebensphase des Produkts den Ressourceneinsatz grundlegend beeinflussen.
Produktübergreifend bestimmt der Ressourceneinsatz derweil über die Versorgungssicherheit mit bzw. die Verfügbarkeit von Rohstoffen für zukünftige Produkte. Daher ist es aus gesellschafts- und umweltpolitischer Sicht essenziell, zum einen Produkte material- und rohstoffeffizient herzustellen, sie langlebig und reparaturfreundlich zu konzipieren sowie fehlbedienungstolerant und recyclinggerecht zu gestalten, zum anderen Primärrohstoffe sukzessive durch Sekundärrohstoffe zu ersetzen.*
Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit (2020): Deutsches Ressourceneffizienzprogramm III – 2020 bis 2023 - Programm zur nachhaltigen Nutzung und zum Schutz der natürlichen Ressourcen, S. 32.
*
VDI 4800 Blatt 1:2016-02: Verein Deutscher Ingenieure e.V., Ressourceneffizienz – Methodische Grundlagen, Prinzipien und Strategien, Berlin: Beuth Verlag GmbH, S. 25.
Ressourceneffiziente Produktentwicklung bedeutet zudem, umweltgerecht bzw. umweltfreundlich zu entwickeln. Denn die Senkung des Ressourceneinsatzes führt zugleich zur Reduktion des Rohstoffabbaus und zur Schonung endlicher Rohstoffvorkommen. Außerdem werden das Abfallaufkommen und Emissionen in Luft, Wasser und Boden (Treibhausgase, Schadstoffe, Lärm) verringert. Das entlastet die Umwelt und trägt maßgeblich zum Klimaschutz bei.
Konkrete Handlungsmöglichkeiten zur Senkung des Ressourceneinsatzes über die Produktentwicklung ergeben sich unter anderem in folgenden Bereichen:
© VDI ZREEinordnung der Produktentwicklung in den Produktlebenszyklus
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 späteren Lebenswegprozess 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 dabei unter anderem über den Ressourceneinsatz und die Umweltauswirkungen des Produkts in den verschiedenen Lebenswegphasen. Zur Minimierung sind die Auswirkungen auf die Lebensphasen ganzheitlich zu berücksichtigen, zu analysieren, zu simulieren und zu bewerten, um anschließend Rückschlüsse für die Entwicklung des Produkts zu 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.
© VDI ZRE auf Basis von Anderl, R.; Abele, E.; Birkhofer, H. (2005).
Im Modell zur ganzheitlichen Produkt- und Prozessentwicklung*
Kirchner, E. (2020): Werkzeuge und Methoden der Produktentwicklung, Berlin/Heidelberg: Springer, S. 52.
ist horizontal die Prozesskette des gesamten Produktlebenswegs dargestellt, senkrecht dazu verläuft die Prozesskette der Produktentwicklung. Die Herstellung bildet dabei den Verknüpfungspunkt der beiden Prozessketten. Grund dafür ist, dass die Herstellungsprozesse im direkten Einflussbereich des entwickelnden Unternehmens liegen.*
VDI 4800 Blatt 1:2016-02: Verein Deutscher Ingenieure e.V., Ressourceneffizienz – Methodische Grundlagen, Prinzipien und Strategien, Berlin: Beuth Verlag GmbH, S. 34.
Darüber hinaus kann die Produktentwicklung jedoch aufgrund der getroffenen Gestaltungsentscheidungen gezielt die Phasen der Nutzung und Entsorgung beeinflussen und den Ressourceneinsatz lenken. Beispiele für die direkte Beeinflussung der Lebenswegphasen durch Entscheidungen in der Produktentwicklung*
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. 21.
sind beispielsweise:
• Wahl der Werkstoffe (bestimmt den Prozess der Rohmaterial- und Werkstoffherstellung)
• Anzahl der eingesetzten Materialtypen (bestimmt den Material- und Energieaufwand der Rohmaterial- und Werkstoffherstellung sowie den Ablauf des Fertigungsprozesses)
• Festlegung der Geometrie und der Oberfläche des Produkts (Konstruktion; bestimmt die Wahl der Fertigungsverfahren im Prozess der Produktherstellung)
• Festlegung von Funktionen und ihrem physikalischen Effekt oder gesamten Wirkprinzip der Lösung (bestimmt den Material- und Energieverbrauch in der Nutzungsphase sowie die Art der entstehenden Emissionen)
• Materialzusammensetzung und Demontierbarkeit des Produkts (Konstruktion; bestimmt den Trenngrad der verschiedenen enthaltenen Materialien und Störstoffe sowie die Recycelbarkeit in der Entsorgungsphase)
• Modulare Gestaltung zur Demontierbarkeit (bestimmt die Kreislauffähigkeit bzw. Rückführbarkeit von Produktbestandteilen und Materialien; Wieder- oder Weiternutzung, Wiederaufarbeitung, Recycling in der Nutzungs- oder Entsorgungsphase)
Jede Phase der Produktentwicklung nimmt mit ihren Entscheidungen zu den Produkteigenschaften, der Konstruktion und der Fertigungsverfahren Einfluss auf den Ressourceneinsatz sowie die Umweltauswirkungen und Kosten. Essenziell hierbei ist eine zielgerichtete Integration und Anwendung von Strategien und Maßnahmen der Ressourceneffizienz sowie prozessbezogene und lebenswegbezogene Methoden in die Produktentwicklung. Nur dann können auch in jeder Phase der Produktentwicklung Entscheidungen zur Ressourceneffizienz getroffen werden. Dabei haben Entscheidungen in den frühen Phasen „Aufgabe klären“ und „Konzipieren“ mitunter den größten Einfluss.* VDI 4800 Blatt 1:2016-02: Verein Deutscher Ingenieure e.V., Ressourceneffizienz – Methodische Grundlagen, Prinzipien und Strategien, Berlin: Beuth Verlag GmbH, S. 34.
So sind in der Phase der Aufgabenklärung zunächst grundsätzliche Anforderungen zur Beeinflussung der Ressourceneffizienz eines Produkts festzulegen, wie zum Beispiel „Bei mindestens 30 Prozent des verwendeten Materials wird auf Sekun-därrohstoffe zurückgegriffen.“, „Das Produkt ist modular aufgebaut. Die Module sind austauschbar.“ oder „Das Produkt erfüllt die Bedingungen des Blauen Engel.“
Die Konzeptphase dient der Bestimmung von Produktfunktionen und prinzipiellen Lösungen zur Ausführung (Wirkprinzipien). In Bezug auf die Ressourceneffizienz können zum Beispiel verschleißärmere Wirkmechanismen gefunden oder die Vereinigung mehrerer Funktionen in einem Bauteil als ressourceneinsparend identifiziert werden. Oder es können Dienstleistungen mit dem physischen Produkt verknüpft werden, die zur Dematerialisierung, Lebensdauerverlängerung und/oder fachgerechten Entsorgung beitragen.
In der Entwurfsphase wird das Lösungskonzept in ein herstellbares Produkt überführt. In Bezug auf die Ressourceneffizienz kann über die konkrete Produktgestaltung Einfluss auf den Ressourceneinsatz genommen werden. Zudem finden an dieser Stelle Strategien und Maßnahmen der Ressourceneffizienz (Materialauswahl, Recyclingfähigkeit, Leichtbauweise etc.) Anwendung.
Im Zuge der Ausarbeitungsphase wird der finale Entwurf mitsamt der technischen Dokumentation zur Herstellung erstellt. Über numerische Berechnungs- und passende Simulationsverfahren werden dann produktspezifische und fertigungstechnische Verfahrensparameter auf ihre Funktionalität hin geprüft und
im Bedarfsfall optimiert.
Zur Abschätzung ökologischer und ökonomischer Folgen der im Rahmen der Produktentwicklung getroffenen Entscheidungen und um mögliche Anpassungen von Teilergebnissen vorzunehmen, ist eine Bewertung der Ressourceneffizienz über den gesamten Lebensweg hinweg 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:
Für die Analyse und qualitative oder quantitative 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.
Das Ecodesign (deutsch: Ökodesign) ist ein Ansatz der nachhaltigen und lebenszyklusorientierten Produktentwicklung und hat das Ziel, die Umweltleistung eines bestehenden oder neuentwickelten Produkts über seinen gesamten Lebensweg zu verbessern bzw. die Summe an negativen Umweltauswirkungen 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.
Mittels durchdachter umweltgerechter Produktgestaltung werden
angestrebt.*
van Doorsselaer, K.; Koopmans, R.J. (2021): Ecodesign. A Life Cycle Approach for a Sustainable Future. München: Carl Hanser Verlag, S. 35ff.
Im Hinblick auf die Entwicklung ressourceneffizienter Produkte bietet die Methodik des Ecodesigns damit einen wesentlichen Stellhebel, um den Ressourceneinsatz des Produkts über eine ökologische Gestaltung zu senken.
Jede Inanspruchnahme natürlicher Ressourcen ist mit der Entstehung von Emissionen verbunden und ruft Umweltauswirkungen hervor.*
Ökopol; IDZ: Ecodesign Kit. Einleitung Ökodesignprinzipien. Herausgegeben von BMU und UBA (abgerufen am: 19.07.2022).
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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 zurechenbar sind und Umweltprobleme hervorrufen. Sie werden ausgelöst durch die Input- und Outputströme in den Lebensphasen, beispielsweise in Form von eingesetzter Energie, Rohstoffen und Hilfsstoffen (z. B. Klebstoffe, Lacke, Schrauben, Verpackung) sowie ausgehenden Emissionen (z. B. Schadstoffe, Stäube, Dissipationen) und nichtverwertbaren Abfällen.*
van Doorsselaer, K.; Koopmans, R. J. (2021): Ecodesign. A Life Cycle Approach for a Sustainable Future. München: Carl Hanser Verlag (Hanser eLibrary), S. 36.
Die Umweltprobleme können in verschiedene sogenannte Wirkungskategorien eingeteilt werden, welche gleichzeitig Grundlage für die Beschreibung der Ergebnisse von Ökobilanzen sind (siehe nachstehende Abbildung).*
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.
Weitere Informationen zu den Wirkungskategorien erhalten Sie im Ecodesign Kit, herausgegeben vom Umweltbundesamt.
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Der Umfang der Umweltauswirkungen eines Produkts ist somit geknüpft an die Auswahl und den Einsatz von Rohstoffen im Produkt, ihrer Gewinnung und Verarbeitung, den Produktionsprozess, die Verpackung, die Distribution und den Transport, die Montage und Installation, die Nutzung mit Wartung und Reparatur sowie die 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).
Das Ecodesign definiert verschiedene Prinzipien als Anforderungen bzw. „einfache Wahrheiten“ einer umweltgerechten Produktgestaltung.*
Ökopol; IDZ: Ecodesign Kit. Einleitung Ökodesignprinzipien. Herausgegeben von BMU und UBA (abgerufen am: 19.07.2022).
Ihre Berücksichtigung in der Produktentwicklung und Anwendung in der Entwurfsphase ist ebenso zielführend für die Ressourceneffizienz des Produkts. Eine Vernachlässigung technischer und wirtschaftlicher Anforderungen ist keinesfalls vorgesehen, vielmehr werden die Anforderungen um ökologische Aspekte ergänzt, ohne die Interessen der Stakeholder zu vernachlässigen.
In der nachfolgenden Tabelle finden sich die Prinzipien einer umweltgerechten Produktgestaltung*
Ökopol; IDZ: Ecodesign Kit. Herausgegeben von BMU und UBA (abgerufen am: 19.07.2022).
kompakt zusammengefasst:
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Durch die Kombination von Produkten und Services ergeben sich unterschiedliche Potenziale, um Ressourcen entlang des Produktlebens einzusparen.
Zu den Produkt-Service-SystemenDie Wahl der Materialien eines Produktes erfolgt in der Entwicklung primär in Abhängigkeit von der angestrebten Funktionalität. Darüber hinaus kann die Materialauswahl als wesentliche Stellschraube für die Erschließung von Ressourceneffizienzpotenzialen dienen.
Zur Optimierten MaterialauswahlDie Motivationen für Leichtbau ergeben sich entweder durch Einsparungen von Material und Energie in der Produktion oder im Fall bewegter Produkte durch eine Verringerung des Energieaufwandes und der sich daraus resultierenden Emissionen und Umweltwirkungen in der Nutzungsphase.
Zum LeichtbauEine fertigungsgerechte Produktgestaltung zielt darauf ab, Produkte so zu gestalten, dass diese bei gegebener Produktionsinfrastruktur herstellbar sind, ohne zusätzlich Ausschuss und Materialverluste oder einen übermäßig höheren Energieverbrauch zu erzeugen.
Zur Fertigungsgerechten ProduktgestaltungFür viele Produkte stellt die Phase der Nutzung den wesentlichsten Beitrag zum Ressourcenverbrauch in ihrem Lebenszyklus dar. Verbesserungen in dieser Phase bezogen auf die Ressourceneffizienz zeigen sich daher oft als besonders wirksam.
Zur Ressourceneffizienten ProduktnutzungEine Verlängerung der Produktnutzungsdauer entspricht einer Annäherung an die technische Lebensdauer. Dadurch vergrößert sich der Zeitraum, in dem eine Funktion bereitgestellt wird, ohne hierfür erneut Energie und Material für die Produktion aufzuwenden. Dies erhöht die Ressourceneffizienz entlang des Lebenswegs.
Zur Verlängerung der ProduktnutzungsdauerDurch die Verlängerung der technischen Lebensdauer müssen weniger Produkte nachproduziert werden. Dadurch sinkt der Energie- und Materialaufwand, um den Nutzen des Produktes bereitzustellen. Dies führt zu einer Erhöhung der Ressourceneffizienz entlang des Lebenswegs.
Zur Verlängerung der technischen ProduktlebensdauerEine kreislaufgerechte Produktgestaltung ermöglicht es, die Wiedernutzbarkeit sicherzustellen und eine Kreislaufführung von Bauteilen und Materialien, die im Produkt verwendet wurden.
Zur Kreislaufgerechten ProduktgestaltungErfahren Sie, wie Sie Materialverluste, die z. B. durch Nacharbeit in der Produktion entstehen, reduzieren und Ihren Gesamtenergieverbrauch senken können.
Zum RessourcencheckNehmen Sie bereits während der Produktentwicklung den Material- und Energieverbrauch des Produkts im gesamten Lebenszyklus in den Blick und lernen Methoden zur Gestaltung ressourceneffizienter Produkte kennen.
Zum RessourcencheckDurch die Kombination von Produkten und Services ergeben sich unterschiedliche Potenziale, um Ressourcen entlang des Produktlebens einzusparen.
Zu den Produkt-Service-SystemenDie Wahl der Materialien eines Produktes erfolgt in der Entwicklung primär in Abhängigkeit von der angestrebten Funktionalität. Darüber hinaus kann die Materialauswahl als wesentliche Stellschraube für die Erschließung von Ressourceneffizienzpotenzialen dienen.
Zur Optimierten MaterialauswahlDie Motivationen für Leichtbau ergeben sich entweder durch Einsparungen von Material und Energie in der Produktion oder im Fall bewegter Produkte durch eine Verringerung des Energieaufwandes und der sich daraus resultierenden Emissionen und Umweltwirkungen in der Nutzungsphase.
Zum LeichtbauEine fertigungsgerechte Produktgestaltung zielt darauf ab, Produkte so zu gestalten, dass diese bei gegebener Produktionsinfrastruktur herstellbar sind, ohne zusätzlich Ausschuss und Materialverluste oder einen übermäßig höheren Energieverbrauch zu erzeugen.
Zur Fertigungsgerechten ProduktgestaltungFür viele Produkte stellt die Phase der Nutzung den wesentlichsten Beitrag zum Ressourcenverbrauch in ihrem Lebenszyklus dar. Verbesserungen in dieser Phase bezogen auf die Ressourceneffizienz zeigen sich daher oft als besonders wirksam.
Zur Ressourceneffizienten ProduktnutzungEine Verlängerung der Produktnutzungsdauer entspricht einer Annäherung an die technische Lebensdauer. Dadurch vergrößert sich der Zeitraum, in dem eine Funktion bereitgestellt wird, ohne hierfür erneut Energie und Material für die Produktion aufzuwenden. Dies erhöht die Ressourceneffizienz entlang des Lebenswegs.
Zur Verlängerung der ProduktnutzungsdauerDurch die Verlängerung der technischen Lebensdauer müssen weniger Produkte nachproduziert werden. Dadurch sinkt der Energie- und Materialaufwand, um den Nutzen des Produktes bereitzustellen. Dies führt zu einer Erhöhung der Ressourceneffizienz entlang des Lebenswegs.
Zur Verlängerung der technischen ProduktlebensdauerEine kreislaufgerechte Produktgestaltung ermöglicht es, die Wiedernutzbarkeit sicherzustellen und eine Kreislaufführung von Bauteilen und Materialien, die im Produkt verwendet wurden.
Zur Kreislaufgerechten ProduktgestaltungErfahren Sie, wie Sie Materialverluste, die z. B. durch Nacharbeit in der Produktion entstehen, reduzieren und Ihren Gesamtenergieverbrauch senken können.
Zum RessourcencheckNehmen Sie bereits während der Produktentwicklung den Material- und Energieverbrauch des Produkts im gesamten Lebenszyklus in den Blick und lernen Methoden zur Gestaltung ressourceneffizienter Produkte kennen.
Zum RessourcencheckBei Fragen zum Thema „Produktentwicklung“ helfen wir Ihnen gerne weiter.
Tel.: +49 (0)30 2759506-505
E-Mail: zre-industrie@vdi.de
