EP4407535A1 - Verfahren zur konstruktion eines produktes - Google Patents

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Publication number
EP4407535A1
EP4407535A1 EP23153514.7A EP23153514A EP4407535A1 EP 4407535 A1 EP4407535 A1 EP 4407535A1 EP 23153514 A EP23153514 A EP 23153514A EP 4407535 A1 EP4407535 A1 EP 4407535A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ecological
product
target value
physical
basic design
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23153514.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Kamps
Carsten Schuh
Thomas Soller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP23153514.7A priority Critical patent/EP4407535A1/de
Publication of EP4407535A1 publication Critical patent/EP4407535A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q10/00—Administration; Management
    • G06Q10/06—Resources, workflows, human or project management; Enterprise or organisation planning; Enterprise or organisation modelling
    • G06Q10/067—Enterprise or organisation modelling
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q50/00—Information and communication technology [ICT] specially adapted for implementation of business processes of specific business sectors, e.g. utilities or tourism
    • G06Q50/04—Manufacturing

Definitions

  • the invention relates to a method for constructing a product according to claim 1.
  • the LCA methodology (Life Cycle Assessment) is generally used to assess a product in terms of its (socio-)ecological footprint. This involves an overall assessment and balancing along the value chain, starting with the raw materials, through the manufacture and use of the resulting product, to disposal, based on previously defined measurable criteria (e.g. energy consumption, CO2 emissions, consumption of rare/precious/critical materials, groundwater pollution, but also socio-economic factors such as child labor).
  • measurable criteria e.g. energy consumption, CO2 emissions, consumption of rare/precious/critical materials, groundwater pollution, but also socio-economic factors such as child labor.
  • LCA The quality and thus the meaningfulness of such an LCA depends, among other things, very much on the available data for each separable individual step along the product life cycle.
  • the LCA is primarily used for the ecological (overall) assessment of a product (e.g. eco-label), but not to a significant extent for the interactive optimization of product design or production processes.
  • the object of the invention is to provide a method by which a product can be designed so that it has the smallest possible ecological footprint.
  • the described procedure advantageously leads to a summary LCA consideration as a scenario analysis in the form of ecological information primarily in contrast to the ex post comparison of product or production scenarios according to the state of the art, quasi in situ during construction.
  • the design phase in particular is responsible for the majority of the key decisions for the ecological footprint of a product based on the raw materials and manufacturing processes used. Decisions on the raw materials used, semi-finished products, processing and joining operations, possible raw material and process alternatives, suppliers and the energy mix used (depending on location/country) are made in the current state of technology without knowledge of a quantified environmental impact. Especially in the design phase, feedback on the decision options and the consequences of the decisions made in relation to the ecological footprint has a very large leverage.
  • a product can be a consumer product that is made up of a large number of individual components.
  • a product can also be a sub-product that is only sold or used in combination with other sub-products.
  • a product can also be a semi-finished product for further processing into a sub-product.
  • a product can be mobile or immobile. It can be intended for sale to a private end customer or to a business customer, for example for use in a production plant.
  • the list of technical requirements corresponds to a list of the requirements specified in a product specification, each in the form of a physical quantity.
  • the list can therefore be derived from the specification, but represents a concretization in that it does not contain any abstract terms (such as a general capability for a requirement), but rather that each requirement is defined by a physical quantity.
  • Physical quantities and physical requirement quantities are understood to mean all technically measurable and evaluable quantities, including chemical quantities. Even values without a unit, such as the number of vibrations that a component must withstand, are considered physical
  • the physical requirement sizes are also physical sizes; the term requirement size is used to distinguish them from physical sizes that are related to ecological assessment sizes.
  • Ecological information in the form of physical quantities is in particular information on the life cycle assessment (LCA) of the product, provided that it can be expressed in technical, physical or chemical terms.
  • This ecological information includes, among other things, values along the value chain, starting with the raw materials, through the manufacture and use of the product produced from them, to disposal. Once the product has been fully constructed and is in operation, it represents an overall ecological assessment and balance based on previously defined measurable criteria. These include, for example, energy consumption, CO2 emissions, the consumption of rare/precious/critical materials, resulting groundwater pollution or toxicity.
  • LCA information LCA data
  • the basic design units are effective units in the design process that enable an appropriate consideration of the requirement variables and the ecological assessment variables.
  • the design process can be divided into basic design units using a simulation model or the CAD/CAM system, for example. These can also be defined or changed manually.
  • a basic design unit can be, for example, a housing geometry of the product or the selection of the material for a housing. Furthermore, a basic design unit can be the geometry or the material as well as a manufacturing process for a turbine blade.
  • the target value and tolerance band are also understood to be physical quantities that relate to the requirement quantity from the specifications or list (first target value, first tolerance band) and to the ecological assessment quantity (second target value, second tolerance band).
  • the target value for the requirement quantity can, for example, be the bending strength of the product housing as a basic design unit and can be set at 0.1 kN.
  • the first tolerance band can be 0.01 kN.
  • the LCA assessment quantity can have a second target value, which is expressed, for example, in energy used to extract raw materials and to manufacture the product housing and which is, for example, 4 kWh.
  • the second tolerance band is, for example, 0.4 kWh.
  • the CAD/CAM system is designed in such a way that the information from the database in which the list of requirement quantities and the list of ecological assessment quantities are stored is used to determine the respective actual values within the respective tolerance band for various design alternatives.
  • the strength values of various possible materials are considered and compared with their ecological rating values.
  • the result can be determined that a certain plastic does not quite have the required strength of 0.1 kN, but with a greater wall thickness in certain housing areas is still within the first tolerance range, and aluminum can be dispensed with as the housing material, which would have a higher ecological rating value and would therefore not be in the second tolerance band.
  • Aluminum as the housing material or the plastic which may have partially different wall thicknesses, are design alternatives. For each basic construction unit there can be an extremely large number of construction alternatives due to different materials and a wide variety of design alternatives.
  • CAD and/or CAM system CAD (Computer Aided Design) or CAM (Computer Aided Manufacturing) are development programs that are used to design or plan the production of products.
  • the ecological assessment variables are derived from the ecological information. Both are based on physical variables that can in principle be converted into one another, particularly if effect equivalences have been defined.
  • An equivalence model is preferably used for this, which also preferably runs on a computer that is connected to the database.
  • the equivalence model can convert a large number of data from a wide variety of physical variables into the ecological assessment variable.
  • the ecological assessment variable can mean the energy expended in kJ or be an equivalence for a CO 2 emission in grams of CO 2.
  • the ecological assessment variable can refer to equivalents or standardizations of these variables, e.g. energy/unit, energy/time unit or energy/mass. In both cases, the target value would be as low as possible, namely zero.
  • the ecological assessment parameter is preferably the energy or mass of carbon dioxide produced.
  • CO 2 emissions have the greatest influence on the ecological balance of a product and can be easily equated to energy, since as long as fossil fuels are in use, almost all forms of energy used can be converted into a quantity of CO 2 emitted.
  • every manufacturing process whether it is the extraction of raw materials or the operation of production plants, can be converted into the energy used.
  • Raw material recycling can also be converted into the energy used. This means that the size of the carbon dioxide produced can also be calculated.
  • Raw material use must be converted into energy and/or CO2 emissions in the LCA analysis.
  • the conversion equivalents or conversion definitions are stored in the equivalence model for this purpose.
  • a significance factor is assigned to a basic design unit, and the requirement variables and/or the ecological assessment variable are weighted.
  • the significance factor is created for a basic design unit in terms of relevance, significance, influenceability and optimizability with regard to the ecological footprint. If, for example, a basic design unit cannot be further optimized with the available resources due to its already completed optimization, then the significance factor is reduced. The target value consideration is therefore included in the calculation of design alternatives with a lower weight.
  • optimization results for the second target value for several design alternatives are transmitted to the CAD and/or CAM system. This allows a selection to be made during the design both automatically and manually.
  • the transferred design alternatives are displayed on a screen.
  • a designer can advantageously make a selection of the design alternatives with knowledge of the determined target values and their position in the respective tolerance bands.
  • the database and the computer for carrying out the determination of the second target value and/or the CAD and/or CAM system and the equivalence model are part of a digital representation. In this way, all calculation processes can be simulated in a closed representation.
  • the digital representation can be seen as a digital twin of a design and/or manufacturing process as well as a usage process within the entire life cycle of the product.
  • the digital representation can include design processes that are carried out using the CAD system, for example. But it can also include production simulations that are carried out using the CAM process as well as the physical production of the product itself. During physical production, process data such as process monitoring data from sensors and their evaluations or the clamping of a component carrier or the positioning and sequence of individual subcomponents when assembling a product can be collected.
  • the digital representation can, for example, be designed in the form of a knowledge graph, which is used to put information about the component into a semantic relationship with each other.
  • a digital twin in general is a digital representation of a material or immaterial object or process from the real world in the digital world. Digital twins enable a comprehensive exchange of data. They are more than just data and consist of models of the represented object or process and can also contain simulations, algorithms and services that describe, influence or offer services for the properties or behavior of the represented object or process.
  • Semantic relation This includes local relationships, spatial relationships, for example between a part of the product during production and a robot arm used for production. Furthermore, causalities belong to semantic relations, such as the respective coordinate determination of the component/product with respect to a coordinate system at the respective process time or the amount of energy introduced during a certain process time. Furthermore, design requirements, geometry information of the product, life cycle information and their impact on the product properties after a certain period of use can be part of the semantic relation. A plurality of semantic relations result in semantic links, which in turn can comprise a semantic pattern.
  • the ecological information is updated and the method is carried out again to construct a second product.
  • a continuous improvement of the product in terms of its ecological footprint can be achieved if new findings on the ecological information, which are obtained in particular from the operation of the product, are used to construct a second product.
  • Figure 1 is a schematic representation of a database 8 and a computer 22, which together form part of a digital representation 30.
  • Database 8 and computer 22 together serve to carry out a method for constructing a product 2.
  • the database 8 comprises several information clusters.
  • a list 4 with physical requirement variables 6 of the product 2 is stored in the database 8.
  • the list 4 corresponds roughly to what is generally referred to as a specification for a product 2.
  • a specification contains requirements that state what a product must do or withstand.
  • Such abstract variables are not well suited to the process of designing the product 2, which is why they are converted into physical requirement variables 6 if possible.
  • a physical requirement variable 6 is, for example, the strength of a housing 40 or the performance of an electric motor 42 (which is shown as an example in Figure 2 But also, for example, the thermal conductivity of a housing or its geometry are also physical requirement variables 6.
  • the database 8 also includes ecological information 10.
  • Ecological information 10 includes what is generally referred to as LCA data, i.e. life cycle information of the product 2 or similar products that have already been developed and produced.
  • LCA data includes, for example, information on the environmental impacts and ecologically relevant parameters of the raw materials used, processes and the energy mix, ecotoxicity [in comparative toxic units], water consumption, eutrophication.
  • Ecologically relevant parameters can be, for example, secondary raw material content, recyclability, VOC content, RoHS conformity).
  • the ecological information 10 is preferably also available in the form of physical quantities, but this is not always possible, for example, with the information on recyclability. It is therefore expedient if an equivalence model 26 is provided that runs on the computer 22 and by means of which the ecological information 10 is converted into an ecological evaluation quantity 14.
  • the ecological evaluation quantity 14 can, for example, be the quantity of energy or the quantity of mass of excreted Carbon dioxide. As long as energy is generated using fossil fuels, carbon dioxide is always emitted during the production of energy. Depending on the proportion of renewable energy sources in an energy network under consideration, there is a different equivalent between emitted carbon dioxide and energy. This information is stored in the equivalence model 26.
  • the database 8 also includes a list of basic design units 12. These basic design units 12 can be created manually by a designer or using a CAD system. For the calculation to be described below, it is generally useful if a basic design unit 12 is determined to be as small as possible, but it must also have a suitable scope so that a comprehensible physical requirement or ecological information 10 can be created for it. Examples of the basic design units 12 are given in the description of the Figure 2 received.
  • the database 8 includes the aforementioned physical requirement variables 6. These in turn include a first target value 32, which lies in a first tolerance band 34.
  • Each basic design unit 12 can include several requirement variables 6.
  • the database 8 also includes ecological assessment variables 14, which also have a target value 36, in this case a second one, and which lies within a second tolerance band 38.
  • the ecological information 10 also stored in the database 8 is used to determine the ecological assessment variable 14.
  • the ecological assessment variable 14 is measured in terms of energy and is displayed, for example, in the unit kilowatt hour.
  • the basic design unit 12 is now created using the CAD system (or, if necessary, using a CAM system) design alternatives 16 are calculated.
  • the CAD system 18 uses the first target value 32 and the second target value 36 for the ecological assessment variable 14 and the respective associated tolerance bands 34 and 38.
  • a basic design unit 12 can, for example, be in the form of a housing for a product 2, whereby the design alternatives 16 can then consist of which material is used for the housing and which material thicknesses or geometry data are necessary.
  • various design alternatives 16 are calculated and these can be used by the CAD system 18 either automatically for these basic design units 12.
  • the design alternatives 16, as in Figure 1 shown on the right can be displayed on a screen 28, and a designer operating the CAD system 18 can make a decision as to which design alternative 16 is to be used.
  • FIG. 1 Another example of a design alternative 16 is the manufacture of a gear 48 for an electric motor 42. This is shown in Figure 2 shown as an example as a 3D model on the screen 28 shown there.
  • the construction alternative 16 can consist not only of the material or geometry used, but also of the manufacturing process used.
  • the manufacturing process of aluminum die casting or the manufacturing process by CNC milling can be selected as the construction alternative 16 for a fixed material, for example aluminum.
  • the CAD system 16 accesses the ecological information 10, which includes, for example, the energy expenditure for aluminum die casting and for milling with a CNC machine.
  • the equivalence model 26 can be used to convert the toxicity or water pollution for a resource into energy as an ecological assessment parameter 14. If, from a physical point of view, no exact conversion between the individual parameters is possible, a corresponding conversion definition can be stored in the equivalence model 26.
  • this basic design unit 12 can be assigned a significance factor that is lower than that for another basic design unit 12.
  • the significance factor ranges, for example, between 0 and 1 and is also preferably stored in the database 8.
  • FIG. 2 There is also another example of a basic construction unit 12 which includes a bearing 44 for the electric motor 42. In this case, a certain abrasion resistance can be required as requirement size 6. There are again various manufacturing alternatives for this, with construction alternatives 16 being calculated using the CAD system 18 based on the same considerations.
  • Basic design units 12, 12' and 12 ⁇ are shown, which are intended to illustrate that these can be located on different design levels.
  • the determination of the basic design unit 12 is preferably carried out automatically by the CAD system 18. However, it is also expedient for a designer to be able to intervene manually at this point in order to positively influence the design economy.
  • the second target value 36 for the ecological assessment variable 14 is preferably determined for each design alternative 16 using the first target value 32 for the physical requirement variable 6.
  • the first target value 32 is thus obtained indirectly from what is referred to in product development as the specifications via the list 4 in which the physical requirement variables 6 are stored.
  • the second target value 36 can also be specified from existing products.
  • the second target value 36 can also be defined as the minimum value that is calculated when creating all design alternatives 16 that meet the first target value.
  • design alternatives 16 are developed using this method, they are either offered to the designer for selection (preferably on the screen 28) or they are automatically provided by the CAD system 18 as a solution for the basic design unit 12.
  • the selected design alternative 16 which forms the solution for this basic design unit 12, is then merged with the next basic design unit 12.
  • the sequence or the sum of all basic design units 12 ultimately results in the product 2.
  • Figure 1 shown schematically with the box 2 in the lower part of the box, which illustrates the computer 22. In this case, it is a digital image, i.e. a digital twin of the product 2.
  • the method described makes it possible to determine the most accurate value possible for the ecological assessment variable 14 for each of these design units 12 by selecting basic design units 12 in as much detail as possible.
  • This not only serves to determine the entire ecological footprint in the form of the sum of the ecological assessment variables 14, as is already the case in the state of the art, but also makes it possible to select the design alternative 16 that has the lowest ecological assessment variable 14 with a technically sufficient physical requirement variable 6 during the design along a design path that consists of a series of basic design units 12.
  • the method described thus makes it possible to optimize the ecological footprint of the product 2 during the design. For each individual process step through the entire design and manufacturing process, the ecologically best alternative prevails (green path).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konstruktion eines Produktes (2) umfassend folgende Schritte:
- Erstellen einer Liste (4) technischer Anforderungen des Produktes umfassend physikalische Anforderungsgrößen (6) und Hinterlegen der Liste (4) in einer Datenbank (8)
- Hinterlegen von Ökologie-Informationen (10) in Form von physikalischen Größen in der Datenbank (8), die zumindest Informationen über verwendbare Materialien und anwendbare Produktionsprozesse für die Herstellung des Produktes (2) enthalten,
- Festlegen von Basis-Konstruktionseinheiten (12), wobei die Basis-Konstruktionseinheiten (12) mit den Ökologie-Informationen (10) und der Liste (4) physikalischen Anforderungsgrößen (6) in der Datenbank (8) verknüpft werden,
- Festlegen eines ersten Zielwertes für die physikalischen Größen der Liste und Festlegen eines ersten Toleranzbandes für den ersten Zielwert für mindestens eine Basis-Konstruktionseinheit (12)
- Festlegen eines zweiten Zielwertes einer Ökologie-Bewertungsgröße (14) für mindestens eine Basis-Konstruktionseinheit sowie Festlegen eines zweiten Toleranzbandes für die Ökologie-Bewertungsgröße (14),
- Berechnen von Konstruktionsalternativen (16) für die jeweilige Basis-Konstruktionseinheit (12) mittels eines CAD- und/oder CAM-Systems (18) auf einem Computer (22), sodass sowohl die physikalische Anforderungsgröße (6) als auch die Ökologie-Bewertungsgröße (14) als Zielfunktion ihrem Zielwert innerhalb des jeweiligen Toleranzbandes am nächsten kommt,
- Durchführen der Konstruktion einzelner Basis-Konstruktionseinheiten (12) mittels des CAD- und/oder CAM-Systems (18) unter Verwendung einer der berechneten Konstruktionsalternativen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konstruktion eines Produktes nach Patentanspruch 1.
  • Die LCA-Methodik (Life Cycle Assessment) dient gemeinhin zur Beurteilung eines Produktes hinsichtlich seines (sozio-) ökologischen Fußabdrucks. Bei dieser erfolgt entlang der Wertschöpfungskette beginnend mit den Ausgangsmaterialien über die Herstellung und Nutzung des daraus erzeugten Produktes bis hin zur Entsorgung eine Gesamtbetrachtung und Bilanzierung auf Basis vorher festgelegter messbarer Kriterien (beispielsweise Energieverbrauch, CO2-Freisetzung, Verbrauch seltener/edler/kritischer Materialien, Grundwasserbelastung, aber auch sozioökonomische Faktoren wie Kinderarbeit).
  • Die Qualität und damit Aussagekraft einer solchen LCA hängt dabei u.a. sehr stark von den verfügbaren Daten jedes separierbaren Einzelschritts entlang des Produktlebenszyklus ab. Gleichzeitig wird bis heute die LCA vornehmlich zur ökologischen (Gesamt-)Bewertung eines Produktes herangezogen (z.B. Eco-Label), aber bisher nicht in signifikantem Umfang zur interaktiven Optimierung des Produktdesigns oder der Produktionsabläufe.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren bereitzustellen, durch das ein Produkt so konstruiert werden kann, dass es einen möglichst geringen ökologischen Fußabdruck aufweist.
  • Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Konstruktion eines Produktes und umfasst folgende Schritte:
    • Erstellen einer Liste technischer Anforderungen des Produktes umfassend physikalische Anforderungsgrößen und Hinterlegen der Liste in einer Datenbank,
    • Hinterlegen von Ökologie-Informationen in Form von physikalischen Größen in der Datenbank, die zumindest Informationen über verwendbare Materialien und anwendbare Produktionsprozesse für die Herstellung des Produktes enthalten, Festlegen von Basis-Konstruktionseinheiten, wobei die Basis-Konstruktionseinheiten 12 mit den Ökologie-Informationen und der Liste physikalische Anforderungsgrößen in der Datenbank verknüpft werden,
    • Festlegen eines ersten Zielwertes für die physikalischen Anforderungen der Liste und Festlegen eines ersten Toleranzbandes für den ersten Zielwert für mindestens eine Basis-Konstruktionseinheit
    • Berechnen von Konstruktionsalternativen für die jeweilige Basis-Konstruktionseinheit mittels eines CAD- und/oder CAM-Systems, auf einem Computer sodass die physikalische Anforderungsgröße als Zielfunktion innerhalb des Toleranzbandes liegen,
    • Ermitteln eines zweiten Zielwertes einer Ökologie-Bewertungsgröße für mindestens eine Basis-Konstruktionseinheit sowie Festlegen eines zweiten Toleranzbandes für die Ökologie-Bewertungsgröße,
    • Durchführen der Konstruktion einzelner Basis-Konstruktionseinheiten mittels des CAD- und/oder CAM-Systems unter Verwendung einer der Konstruktionsalternativen, die dem ersten und dem zweiten Toleranzband genügen.
  • Das beschriebene Verfahren führt in vorteilhafter Weise dazu, dass eine summarische LCA-Betrachtung als Szenarioanalyse in Form von Ökologie-Informationen primär im Gegensatz zum expost Vergleich von Produkt- oder Produktionsszenarien nach dem Stand der Technik, quasi in situ während der Konstruktion, stattfindet.
  • Gerade die Konstruktionsphase ist für den Großteil der weichenstellenden Entscheidungen für den ökologischen Fußabdruck eines Produktes basierend auf den verwendeten Rohstoffen und Herstellungsverfahren verantwortlich. Entscheidungen zum verwendeten Rohmaterial, Halbzeug, Verarbeitungs- und Fügeoperationen, möglichen Rohstoff- und Prozessalternativen, Lieferanten und verwendetem Energiemix (je nach Standort/Staat) werden im Stand der Technik ohne Kenntnis eines quantifizierten Umwelteinflusses getroffen. Gerade in der Konstruktionsphase weist ein Feedback zu den Entscheidungsoptionen und den Konsequenzen der getroffenen Entscheidungen in Bezug auf den ökologischen Footprint einen sehr großen Hebel auf.
  • Bislang ist ein robustes Öko-Design lediglich auf Erfahrungswerten möglich, oder durch das Heranziehen von Produkten und durchgeführten LCAs, die möglichst deckungsgleich zur aktuellen Konstruktionsaufgabe sind. Somit besteht allerdings eine große Unschärfe bei den Bewertungskriterien und dahinterliegenden Zahlen. Diese Unsicherheit wird durch das beschriebene Verfahren erheblich reduziert.
  • Dabei seien die verwendeten Begriffe wie folgt definiert:
    Ein Produkt kann dabei ein Konsumprodukt sein, das aus einer Vielzahl von Einzelkomponenten ausgebildet ist. Ein Produkt kann aber auch ein Teilprodukt sein, das erst mit Kombination von anderen Teilprodukten verkauft wird oder einsetzbar ist. Ein Produkt kann auch ein Halbzeug zur Weiterverarbeitung in ein Teilprodukt sein. Dabei kann ein Produkt mobil oder immobil sein. Es kann sowohl für den Verkauf an einen privaten Endkunden als auch an einen Geschäftskunden, beispielsweise zum Einsatz in einer Produktionsanlage, vorgesehen sein.
  • Die Liste technischer Anforderungen entspricht einer Liste der in einem Pflichtenheft des Produktes festgelegten Anforderungen jeweils in Form einer physikalischen Größe. Die Liste lässt sich demnach aus dem Pflichtenheft ableiten, stellt aber insofern eine Konkretisierung da, dass keine abstrakten Begriffe (wie z. B. eine allgemeine Befähigung für eine Anforderung) enthalten sind, sondern dass jede Anforderung mit einer physikalischen Größe bestimmt ist.
  • Unter physikalischen Größen und physikalischen Anforderungsgrößen werden alle technisch messbaren und evaluierbaren Grö-ßen verstanden, hierzu gehören auch chemische Größen. Auch Werte ohne eine Einheit, wie z. B. Anzahl von Schwingungen, die ein Bauteil standhalten muss, werden dabei zu den physikalischen Größen gezählt. Die physikalischen Anforderungsgrö-ßen sind ebenfalls physikalische Größen, der Begriff Anforderungsgröße dient zur Unterscheidung von physikalischen Grö-ßen, die auf Ökologie-Bewertungsgrößen bezogen sind.
  • Ökologie-Informationen in Form von physikalischen Größen sind insbesondere Informationen zum Life Cycle Assessment (LCA, im Deutschen auch als Lebenszyklusanalyse bezeichnet) des Produktes, sofern sie technisch, physikalisch oder chemisch ausdrückbar sind. Zu diesen Ökologie-Informationen zählen unter anderem Werte entlang der Wertschöpfungskette beginnend mit den Ausgangsmaterialien über die Herstellung und Nutzung des daraus erzeugten Produktes bis hin zur Entsorgung. Sie stellen -insofern das Produkt dann fertig konstruiert und in Betrieb ist- eine ökologische Gesamtbetrachtung und Bilanzierung auf Basis vorher festgelegter messbarer Kriterien dar. Diese sind beispielsweise der Energieverbrauch, die CO2-Freisetzung, der Verbrauch seltener/edler/kritischer Materialien, eine resultierende Grundwasserbelastung oder Toxizität. Während der Konstruktionsphase des Produktes, die durch das beschriebene Verfahren umfasst wird, werden in der Datenbank bekannte Ökologie-Informationen für möglichst viele für die Konstruktion relevante Konstruktionsalternativen bereitgestellt, um die Alternativen miteinander zu vergleichen und die Beste davon im Sinne des beschriebenen Verfahrens auszuwählen. Die Summe der Ökologie-Informationen des fertig konstruierten, produzierten und sich im Umlauf befindenden Produktes wird dann als LCA-Informationen oder LCA-Daten bezeichnet. Aus den Ökologie-Informationen werden die Ökologie-Bewertungsgrößen abgeleitet, worauf noch eingegangen wird.
  • Die Basis-Konstruktionseinheiten sind Wirkeinheiten im Konstruktionsprozess, die eine angemessene Betrachtung der Anforderungsgrößen und der Ökologie-Bewertungsgrößen ermöglichen. Dabei kann der Konstruktionsprozess beispielsweise mittels eines Simulationsmodells oder bereits mittels des CAD/CAM-Systems in Basiskonstruktionseinheiten unterteilt werden. Diese können aber auch manuell festgelegt oder verändert werden. Eine Basis-Konstruktionseinheit kann beispielsweise eine Gehäusegeometrie des Produktes oder die Auswahl des Materials für ein Gehäuse sein. Ferner kann eine Basis-Konstruktionseinheit die Geometrie oder das Material sowie ein Fertigungsverfahren für eine Turbinenschaufel sein.
  • Unter Zielwert und Toleranzband werden ebenfalls physikalische Größen verstanden, die sich jeweils auf die Anforderungsgröße aus dem Pflichtenheft bzw. der Liste (erster Zielwert, erstes Toleranzband) und auf die Ökologie-Bewertungsgröße (zweiter Zielwert, zweites Toleranzband) beziehen. Der Zielwert für die Anforderungsgröße kann beispielsweise die Biegefestigkeit des Produktgehäuses als Basis-Konstruktionseinheit sein und mit 0,1 kN festgelegt sein. Dabei kann das erste Toleranzband 0,01 kN betragen. Für dieselbe Basiskonstruktionseinheit kann die LCA-Bewertungsgröße einen zweiten Zielwert haben, der beispielsweise in Energie ausgedrückt wird, die für die Rohstoffgewinnung und für die Herstellung des Produktgehäuses aufgewendet wird und die beispielsweise 4 kWh beträgt. Das zweite Toleranzband beträgt dabei beispielsweise 0,4 kWh. Nun ist das CAD/CAM-System so ausgestaltet, dass mittels der Informationen aus der Datenbank, in der die Liste der Anforderungsgrößen und die Liste der Ökologie-Bewertungsgrößen hinterlegt sind, die jeweiligen Istwerte innerhalb des jeweiligen Toleranzbandes für verschiedene Konstruktionsalternativen ermittelt werden. So werden beispielsweise die Festigkeitswerte verschiedener möglicher Materialen betrachtet und mit ihren Ökologie-Bewertungsgrößen abgeglichen. So kann beispielsweise als Ergebnis ermittelt werden, dass ein bestimmter Kunststoff nicht ganz die erforderte Festigkeit von 0,1 kN aufweist, aber bei einer größeren Wandstärke an bestimmten Gehäusebereichen noch im ersten Toleranzbereich liegt und dabei auf Aluminium als Gehäusematerial verzichtet werden kann, das eine höhere Ökologie-Bewertungsgröße aufweisen würde und somit nicht im zweiten Toleranzband liegen würde. Aluminium als Gehäusematerial oder der Kunststoff, der gegebenenfalls partiell unterschiedliche Wandstärken aufweist, sind dabei Konstruktionsalternativen. Für jede Basis-Konstruktionseinheit kann es aufgrund unterschiedlicher Materialien und unterschiedlichster Designalternativen eine ausgesprochen hohe Anzahl an Konstruktionsalternativen geben.
  • CAD- und/oder CAM-System: CAD (Computer Aided Design) oder CAM (Computer Aided Manufacturing) sind Entwicklungsprogramme, die zur Konstruktion oder Fertigungsplanung von Produkten in Anwendung sind.
  • Aus den Ökologie-Informationen werden die Ökologie-Bewertungsgrößen abgeleitet. Beide basieren auf physikalischen Größen, die grundsätzlich ineinander überführbar sind, insbesondere, wenn Wirkungsäquivalenzen festgelegt sind. Hierzu dient bevorzugt ein Äquivalenzmodell, das ebenfalls bevorzugt auf einem Computer abläuft, der in Verbindung mit der Datenbank steht. Durch das Äquivalenzmodell kann eine Vielzahl von Daten unterschiedlichster physikalischer Größen in die Ökologie-Bewertungsgröße umgerechnet werden. Dabei kann die Ökologie-Bewertungsgröße in einer vorteilhaften Ausgestaltung die aufgewendete Energie in kJ bedeuten oder eine Äquivalenz für eine CO2-Emission in Gramm CO2 sein. Die Ökologie-Bewertungsgröße kann sich dabei auf Äquivalente oder Normierungen dieser Größen beziehen, z. B. Energie/Stück, Energie/Zeiteinheit oder Energie/Masse. In beiden Fällen wäre der Zielwert möglichst niedrig, nämlich Null.
  • Die Ökologie-Bewertungsgröße ist bevorzugt die Energie oder Masse von erzeugtem Kohlendioxid. Der CO2 Ausstoß hat den größten Einfluss auf die Ökobilanz eines Produktes und er lässt sich gut in Äquivalenz zur Energie setzen, da, solange fossile Energieträger im Einsatz sind, nahezu alle verwendeten Energieformen in eine Menge von ausgestoßenem CO2 umgerechnet werden können. Ferner kann aber jeder Herstellungsprozess, sei es zur Gewinnung von Rohstoff als auch der Betrieb von Produktionsanlagen, auf die aufgewendete Energie umgerechnet werden. Auch Rohstoffrecycling kann in die aufgewendete Energie umgerechnet werden. Somit kann auch die Größe Rohstoffnutzung in der LCA-Betrachtung in Energie und/oder CO2-Ausstoß umgerechnet werden. Die Umrechnungsäquivalente oder Umrechnungsdefinitionen sind hierfür im Äquivalenzmodell hinterlegt.
  • In einer Ausgestaltungsform der Erfindung wird einer Basis-Konstruktionseinheit ein Signifikanzfaktor zugeordnet, und es erfolgt eine Wichtung der Anforderungsgrößen und/oder der Ökologie-Bewertungsgröße. Der Signifikanzfaktor wird für eine Basis-Konstruktionseinheit hinsichtlich Relevanz, Signifikanz, Beeinflussbarkeit und Optimierbarkeit bzgl. des ökologischen Fußabdrucks erstellt. Wenn beispielsweise eine Basis-Konstruktionseinheit aufgrund ihrer bereits erfolgten Optimierung nicht weiter mit den vorhandenen Mitteln optimierbar ist, dann wird der Signifikanzfaktor herabgesetzt. Die Zielwertbetrachtung geht in die Berechnung von Konstruktionsalternativen somit mit einem geringeren Gewicht ein.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden Optimierungsergebnisse für den zweiten Zielwert für mehrere Konstruktionsalternativen an das CAD- und/oder CAM-System übertragen. Somit kann automatisiert als auch manuell eine Auswahl während der Konstruktion getroffen werden.
  • Ferner ist es zweckmäßig, wenn die übertragenen Konstruktionsalternativen auf einem Bildschirm dargestellt werden. In diesem Fall kann ein Konstrukteur vorteilhaft eine Auswahl der Konstruktionsalternativen in Kenntnis der ermittelten Zielwerte und ihrer Lage in den jeweiligen Toleranzbändern treffen.
  • In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung sind die Datenbank und der Computer zur Durchführung der Bestimmung des zweiten Zielwertes und/oder das CAD- und/oder CAM-System sowie das Äquivalenzmodell Teil einer digitalen Repräsentation. Auf diese Weise können alle Rechenvorgänge in einer geschlossenen Repräsentation simuliert werden.
  • Die digitale Repräsentation kann dabei als ein digitaler Zwilling eines Konstruktions- (Design-) und/oder Herstellungsprozesses sowie eines Nutzungsprozesses innerhalb des gesamten Lebenszyklus des Produktes angesehen werden. Die digitale Repräsentation kann dabei Konstruktionsvorgänge umfassen, die beispielsweise durch das CAD-System erfolgen. Sie kann aber auch Fertigungssimulationen, die durch das CAM-Verfahren erfolgen sowie die physische Fertigung des Produktes an sich umfassen. Bei der physischen Fertigung können dabei wiederum Prozessdaten wie Prozessüberwachungsdaten von Sensoren und ihre Auswertungen oder das Einspannen eines Bauteilträgers oder die Positionierung und Reihenfolge einzelner Teilbauteile beim Zusammenbau eines Produktes erhoben werden.
  • Die digitale Repräsentation kann beispielsweise in Form eines Knowledge Graphs ausgestaltet sein, dieser dient dazu, Informationen zum Bauteil in eine semantische Relation zueinander zu setzen. Ein digitaler Zwilling im Allgemeinen wiederum ist eine digitale Repräsentation eines materiellen oder immateriellen Objekts oder Prozesses aus der realen Welt in der digitalen Welt. Digitale Zwillinge ermöglichen einen übergreifenden Datenaustausch. Sie sind dabei mehr als reine Daten und bestehen aus Modellen des repräsentierten Objekts oder Prozesses und können daneben Simulationen, Algorithmen und Services enthalten, die Eigenschaften oder Verhalten des repräsentierten Objekts oder Prozesses beschreiben, beeinflussen, oder Dienste darüber anbieten.
  • Semantische Relation: Hierunter sind u.a. örtliche Beziehungen, räumliche Beziehungen, beispielsweise zwischen einem Teil des Produktes während der Fertigung und einem Roboterarm, der zur Fertigung dient, zu verstehen. Ferner gehören Kausalitäten zu semantischen Relationen, wie beispielsweise die jeweilige Koordinatenbestimmung des Bauteils/Produktes bezüglich eines Koordinatensystems zum jeweiligen Prozesszeitpunkt oder die während eines bestimmten Prozesszeitpunktes eingebrachte Energiemenge. Ferner können Konstruktionsanforderungen, Geometrieinformationen des Produktes, Lebenszyklusinformationen und ihre Auswirkung auf die Produkteigenschaften nach einer gewissen Nutzungsdauer Bestandteil der semantischen Relation sein. Eine Mehrzahl an semantischen Relationen ergeben semantische Verknüpfungen, die wiederum ein semantisches Muster umfassen können.
  • In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist es zweckmäßig, wenn nach Durchführung des Verfahrens eine Aktualisierung der Ökologie-Informationen erfolgt und das Verfahren erneut zur Konstruktion eines zweiten Produktes durchgeführt wird. Auf diese Weise kann eine kontinuierliche Verbesserung des Produktes in Hinblick auf dessen ökologischen Fußabdrucks erzielt werden, wenn neue Erkenntnisse zu den Ökologie-Informationen, die insbesondere aus dem Betrieb des Produktes gewonnen werden, für die Konstruktion eines zweiten Produktes herangezogen werden.
  • Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei handelt es sich um rein beispielhafte und schematisierte Ausgestaltungen, die keine Einschränkung des Schutzbereiches darstellen.
  • Dabei zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung einer Datenbank und eines Computers zur Durchführung eines Verfahrens zur Konstruktion eines Produktes,
    Figur 2
    einen Bildschirm mit abgebildeten CAD-System und Abbildungen von Teilen eines Produktes.
  • In Figur 1 ist eine schematische Darstellung einer Datenbank 8 und einem Computer 22 gegeben, die zusammen genommen Teil einer digitalen Repräsentation 30 sind. Datenbank 8 und Computer 22 zusammen dienen zur Durchführung eines Verfahrens zur Konstruktion eines Produktes 2.
  • Die Datenbank 8 umfasst dabei mehrere Informationscluster. Zunächst ist auf der Datenbank 8 eine Liste 4 mit physikalischen Anforderungsgrößen 6 des Produktes 2 hinterlegt. Die Liste 4 entspricht dabei in etwa dem, was allgemein als Pflichtenheft für ein Produkt 2 bezeichnet wird. Üblicherweise sind in einem Pflichtenheft Anforderungen aufgenommen, die besagen, was ein Produkt leisten muss bzw. aushalten muss. Derartige abstrakte Größen sind für das Verfahren zur Konstruktion des Produktes 2 schlecht geeignet, weshalb sie möglichst in physikalische Anforderungsgrößen 6 umgewandelt werden. Eine physikalische Anforderungsgröße 6 ist dabei beispielsweise die Festigkeit eines Gehäuses 40 bzw. die Leistung eines Elektromotors 42 (der beispielhaft in Figur 2 dargestellt ist). Aber auch zum Beispiel die Wärmeleitfähigkeit eines Gehäuses oder dessen Geometrie sind ebenfalls physikalische Anforderungsgrößen 6.
  • Ferner umfasst die Datenbank 8 Ökologie-Informationen 10. Ökologie-Informationen 10 beinhalten dabei das, was im Allgemeinen auch als LCA-Daten, also Lebenszyklus-Informationen des Produktes 2 bzw. ähnlicher Produkte, die bereits entwickelt und produziert wurden, bezeichnet wird. LCA-Daten umfassen dabei beispielsweise Informationen zu den Umweltwirkungen und ökologisch relevanten Kenngrößen der eingesetzten Rohstoffe, Prozesse und des Energiemix, Ecotoxizität [in Comparative Toxic Units], Wasserverbrauch, Eutrophierung. Ökologisch relevante Kenngrößen können z.B. Sekundärrohstoffgehalt, Rezyklierbarkeit, VOC-Gehalt, RoHS-Konformität sein).
  • Die Ökologie-Informationen 10 liegen zwar bevorzugt auch in Form von physikalischen Größen vor, dies ist jedoch beispielsweise bei den Informationen zur Rezyklierbarkeit nicht immer ohne weiteres möglich. Daher ist es zweckmäßig, wenn ein Äquivalenzmodell 26 vorgesehen ist, dass auf dem Computer 22 abläuft und mittels dessen die Ökologie-Informationen 10 in eine Ökologie-Bewertungsgröße 14 umgerechnet wird. Die Ökologie-Bewertungsgröße 14 kann dabei beispielsweise die Größe Energie sein oder die Größe Masse an ausgeschiedenem Kohlendioxid. Solange die Energieerzeugung unter Verwendung von fossilen Brennstoffen erfolgt, wird bei der Herstellung von Energie stets Kohlendioxid ausgestoßen. Je nachdem, wie hoch der Anteil an regenerativen Energiequellen in einem betrachteten Energienetz ist, besteht ein unterschiedliches Äquivalent zwischen ausgestoßenem Kohlendioxid und Energie. Diese Informationen sind im Äquivalenzmodell 26 hinterlegt.
  • Da für jeden Fertigungsschritt in der Fertigungstiefe bis herab zur Gewinnung von Rohstoffen Energie aufgewendet wird, ist die Verwendung von Energie als Ökologie-Bewertungsgröße 14 zweckmäßig. Auch abstraktere Begriffe wie Toxizität oder Rezyklierbarkeit lassen sich grundsätzlich durch vorgegebene Äquivalente in die physikalische Größe Energie umrechnen. Zum Beispiel kann beim Wasserverbrauch die Energie als Äquivalent herangezogen werden, die benötigt wird, die Menge an verbrauchtem Wasser mittels einer Aufbereitungsanlage wieder in Trinkwasserqualität zurückzuführen. Ein anderes Äquivalent besteht wiederum bei der Treibhauswirkung unterschiedlicher Gase. So hat zum Beispiel Methan oder Schwefelhexafluorid einen um ein Vielfaches höheren Einfluss auf die globale Erwärmung als CO2. Dieses Vielfache des jeweilig ausgestoßenen Gases kann ebenfalls als Äquivalent hinterlegt sein.
  • Innerhalb der Datenbank 8 in Kombination mit dem Computer 22 liegt dabei eine Vernetzung zwischen der Liste 4, den physikalischen Anforderungsgrößen 6, den Ökologie-Informationen 10, den Basis-Konstruktionseinheiten 12 sowie den Ökologie-Bewertungsgrößen 14 vor. Ferner sind diese reinen Daten, die auf der Datenbank 8 liegen, mit dem CAD-System 18 (der Begriff CAD-System umfasst stets auch ein CAM-System) sowie gegebenenfalls mit dem Äquivalenzmodell 26, die auf dem Computer 22 ablaufen, verknüpft. Diese Verknüpfung wird durch die Pfeile 46 veranschaulicht. Insbesondere zwischen den Ökologie-Informationen 10 und den Ökologie-Bewertungsgrößen 14 erfolgt die Verknüpfung 46 unter Zwischenschaltung des Äquivalenzmodells 26. In Figur 1 ist schematisch für den Computer 22 und für die Datenbank 8 jeweils ein Kasten dargestellt, was allerdings nicht bedeutet, dass alle angewandten Modelle bzw. CAD-Systeme 18 auf einem einzigen Computer ablaufen müssen. Sie können vielmehr auch getrennt, gegebenenfalls auch an getrennten Orten vorliegen und durchgeführt werden. Ebenfalls gilt dies für die Datenbank 8, die grundsätzlich auch in Form einer Daten-Cloud dargestellt sein kann oder die Daten können an vielen verschiedenen Orten hinterlegt sein.
  • Ferner umfasst die Datenbank 8 eine Auflistung von Basis-Konstruktionseinheiten 12. Diese Basis-Konstruktionseinheiten 12 können manuell durch einen Konstrukteur oder mittels eines CAD-Systems erstellt werden. Für die noch zu beschreibende Berechnung ist es grundsätzlich zweckmäßig, wenn eine Basis-Konstruktionseinheit 12 so klein wie möglich bestimmt wird, sie muss aber auch einen zweckmäßigen Umfang aufweisen, sodass eine nachvollziehbare physikalische Anforderung oder eine Ökologie-Information 10 hierzu erstellbar ist. Auf Beispiele für die Basis-Konstruktionseinheiten 12 wird noch in der Beschreibung zur Figur 2 eingegangen.
  • Im Weiteren umfasst die Datenbank 8 die bereits erwähnten physikalischen Anforderungsgrößen 6. Diese wiederum umfassen einen ersten Zielwert 32, der in einem ersten Toleranzband 34 liegt. Dabei kann jede Basis-Konstruktionseinheit 12 mehrere Anforderungsgrößen 6 umfassen.
  • Ferner umfasst die Datenbank 8 Ökologie-Bewertungsgrößen 14, die ebenfalls einen, in diesem Fall einen zweiten Zielwert 36 aufweisen und der innerhalb eines zweiten Toleranzbandes 38 liegt. Für die Bestimmung der Ökologie-Bewertungsgröße 14 werden dabei die ebenfalls in der Datenbank 8 hinterlegten Ökologie-Informationen 10 herangezogen. Die Ökologie-Bewertungsgröße 14 wird in diesem Fall in der Größe Energie gemessen und beispielsweise in der Einheit Kilowattstunde angezeigt.
  • Im Weiteren werden nun für die Basis-Konstruktionseinheit 12 mittels des CAD-Systems (oder gegebenenfalls mittels eines CAM-Systems) Konstruktionsalternativen 16 berechnet. Hierzu wird durch das CAD-System 18 auf den ersten Zielwert 32 und den zweiten Zielwert 36 für die Ökologiebewertungsgröße 14 und die jeweiligen dazugehörenden Toleranzbänder 34 und 38 zurückgegriffen. Wie bereits einleitend beschrieben, kann eine Basis-Konstruktionseinheit 12 beispielsweise in Form eines Gehäuses für ein Produkt 2 bestehen, wobei die Konstruktionsalternativen 16 dann darin bestehen können, welches Material für das Gehäuse verwendet wird und welche Materialstärken oder Geometriedaten nötig sind. Somit werden verschiedene Konstruktionsalternativen 16 berechnet und diese können seitens des CAD-Systems 18 entweder automatisiert für diese Basis-Konstruktionseinheiten 12 eingesetzt werden. Alternativ ist es möglich, dass die Konstruktionsalternativen 16, wie in Figur 1 rechts dargestellt ist, auf einen Bildschirm 28 dargestellt werden, und ein Konstrukteur, der das CAD-Systems 18 bedient, eine Entscheidung treffen kann, welche Konstruktionsalternative 16 zum Einsatz kommt.
  • Ein weiteres Beispiel für eine Konstruktionsalternative 16 besteht in der Herstellung eines Zahnrades 48 für einen Elektromotor 42. Dies ist in Figur 2 auf dem dort dargestellten Bildschirm 28 beispielhaft als 3D-Modell abgebildet. Bei dem Zahnrad 48 als Basis-Konstruktionseinheit 12` kann die Konstruktionsalternative 16 nicht nur in dem verwendeten Material oder in der verwendeten Geometrie, sondern auch im angewendeten Herstellungsverfahren bestehen. Hier kann beispielsweise als Konstruktionsalternative 16 bei einem feststehenden Material, beispielsweise Aluminium, das Herstellungsverfahren Aluminium-Druckguss oder das Herstellungsverfahren durch CNC-Fräsen gewählt werden. Hierzu greift das CAD-System 16 auf die Ökologie-Informationen 10 zu, die beispielsweise den Energieaufwand für den Aluminiumdruckguss und für das Fräsen mit einer CNC-Maschine umfassen.
  • Sollten neben dem reinen Energieaufwand auch noch andere Ökologie-Informationen 10 für den Druckguss oder das Fräsen relevant sein, sind diese bevorzugt ebenfalls in der Datenbank 8 hinterlegt. Falls diese nicht in Energie ausdrückbar sind, weil sie beispielsweise Toxizitätsbetrachtungen enthalten, so kann mittels des Äquivalenzmodells 26 die Toxizität oder die Gewässerbelastung für ein Betriebsmittel in Energie als Ökologie-Bewertungsgröße 14 umgerechnet werden. Falls physikalisch gesehen keine exakte Umrechnung zwischen den einzelnen Größen möglich ist, so kann in dem Äquivalenzmodell 26 eine entsprechende Umrechnungsdefinition hinterlegt sein.
  • Sollte für eine bestimmte Basis-Konstruktionseinheit 12 die Ökologie-Bewertungsgröße wenig beeinflussbar sein, da kaum technische Alternativen vorhanden sind oder weil bereits in früheren Produkten eine Optimierung stattgefunden hat, so kann diese Basiskonstruktionseinheit 12 mit einem Signifikanzfaktor belegt werden, der geringer ist als der für eine andere Basiskonstruktionseinheit 12. Der Signifikanzfaktor bewegt sich beispielsweise zwischen 0 und 1 und ist ebenfalls bevorzugt in der Datenbank 8 hinterlegt.
  • In Figur 2 ist ferner noch ein weiteres Beispiel für eine Basis-Konstruktionseinheit 12 gegeben, die ein Lager 44 für den Elektromotor 42 umfasst. Hierbei kann als Anforderungsgröße 6 eine bestimmte Abriebfestigkeit gefordert sein. Hierzu gibt es wiederum verschiedene Fertigungsalternativen, wobei nach denselben Betrachtungen mittels des CAD-Systems 18 Konstruktionsalternativen 16 berechnet werden.
  • In Figur 2 sind Basis-Konstruktionseinheiten 12, 12' und 12ʺ dargestellt, die veranschaulichen sollen, dass diese auf unterschiedlichen Konstruktionsebenen liegen können. Je detaillierter bzw. kleinteiliger die Basis-Konstruktionseinheit 12 gewählt wird, umso genauer kann eine Ökologie-Bewertungsgröße 14 ermittelt werden. Die Festlegung der Basis-Konstruktionseinheit 12 wird bevorzugt automatisiert durch das CAD-System 18 durchgeführt. Es ist allerdings auch ebenfalls zweckmäßig, dass ein Konstrukteur an dieser Stelle manuell eingreifen kann, um eine Konstruktionsökonomie positiv zu beeinflussen.
  • Wenn mittels des CAD-Systems 18 die Konstruktionsalternativen 16 aus rein technischer Sicht ermittelt sind, wird bevorzugt für jede Konstruktionsalternative 16 mittels des ersten Zielwertes 32 für die physikalische Anforderungsgröße 6 der zweite Zielwert 36 für die Ökologie-Bewertungsgröße 14 ermittelt. Der erste Zielwert 32 ergibt sich somit über die Liste 4, in der die physikalischen Anforderungsgrößen 6 abgelegt sind, indirekt aus dem, was in der Produktentwicklung als Pflichtenheft bezeichnet wird. Der zweite Zielwert 36 kann entweder ebenfalls aus bereits bestehenden Produkten vorgegeben sein. Der zweite Zielwert 36 kann auch als der minimale Wert definiert werden, der bei der Erstellung aller Konstruktionsalternativen 16, die den ersten Zielwert erfüllen, errechnet wird.
  • Dabei wird ebenfalls ermittelt, ob diese Zielwerte 32 und 36 jeweils im ersten Toleranzbandes 34 oder im zweiten Toleranzband 38 liegen. Die Toleranzbänder 34 und 38 können ebenfalls aus Erfahrungswerten herangezogen werden oder manuell festgelegt werden. Die Toleranzbänder sind nötig, um zu gewährleisten, dass überhaupt Konstruktionsalternativen 16 möglich sind.
  • Sind nach dieser Methode Konstruktionsalternativen 16 entwickelt, so werden diese entweder dem Konstrukteur zur Auswahl (bevorzugt auf dem Bildschirm 28) angeboten oder sie werden automatisiert durch das CAD-System 18 als Lösung für die Basis-Konstruktionseinheit 12 bereitgestellt. Die jeweils ausgewählte Konstruktionsalternative 16, die die Lösung für diese Basis-Konstruktionseinheit 12 bildet, wird nun mit der jeweils nächsten Basis-Konstruktionseinheit 12 zusammengeführt. Die Aneinanderreihung bzw. die Summe aller Basis-Konstruktionseinheiten 12 ergeben im Abschluss das Produkt 2. Dies ist in Figur 1 schematisch mit dem Kasten 2 im unteren Teil des Kastens, der den Computer 22 veranschaulicht, dargestellt. In diesem Fall handelt es sich um eine digitale Abbildung, also einen digitalen Zwilling des Produktes 2.
  • Durch das beschriebene Verfahren ist es möglich, durch eine möglichst detaillierte Wahl von Basis-Konstruktionseinheiten 12, für jede dieser Konstruktionseinheiten 12 einen möglichst genauen Wert für die Ökologie-Bewertungsgröße 14 zu ermitteln. Dies dient nicht nur dazu, wie dies bereits im Stand der Technik aufwendig gestaltet werden muss, den gesamten ökologischen Fußabdruck in Form der Summe der Ökologie-Bewertungsgrößen 14 zu ermitteln. Sondern es ist so bereits während der Konstruktion, entlang eines Konstruktionspfades, der in Form einer Aneinanderreihung der Basis-Konstruktionseinheiten 12 besteht, möglich, jeweils die Konstruktionsalternative 16 auszuwählen, die die geringste Ökologie-Bewertungsgröße 14 bei einer technisch ausreichenden physikalischen Anforderungsgröße 6 aufweist. Somit ist es durch das beschriebene Verfahren möglich, den ökologischen Fußabdruck des Produktes 2 bereits während der Konstruktion zu optimieren. Für jeden einzelnen Verfahrensschritt durch den ganzen Konstruktionsprozess und Fertigungsprozess hindurch setzt sich die ökologisch beste Alternative durch (grüner Pfad).
  • Es kann auch zweckmäßig sein, die Konstruktion des Produktes kontinuierlich anzupassen. Dies geschieht dadurch, dass die Ökologie-Informationen 10 in der Datenbank 8 während der Herstellung und während des Vertriebs des Produktes 2 kontinuierlich mit erneut gewonnenen Informationen aktualisiert werden. Hierdurch können sich die zweiten Zielwerte 36 der einzelnen Basis-Konstruktionseinheiten 12 ändern. Somit kann ein erneutes Ablaufen des beschriebenen Konstruktionsverfahrens zu einem veränderten, ökologisch erneut optimierten zweiten Produkt führen.
    • Bezugszeichenliste
    • 2
    Produkt
    4
    Liste
    6
    physikalische Anforderungsgrößen
    8
    Datenbank
    10
    Ökologie Informationen
    12
    Basis-Konstruktionseinheiten
    14
    Ökologie Bewertungsgröße
    16
    Konstruktionsalternativen
    18
    CAD/CAM-System
    22
    Computer
    26
    Äquivalenzmodelle
    28
    Bildschirm
    30
    digitale Repräsentation
    32
    erster Zielwert
    34
    erstes Toleranzband
    36
    zweiter Zielwert
    38
    zweites Toleranzband
    40
    Gehäuse
    42
    Elektromotor
    44
    Lager
    46
    Verknüpfung
    48
    Zahnrad

Claims (9)

  1. Verfahren zur Konstruktion eines Produktes (2) umfassend folgende Schritte:
    - Erstellen einer Liste (4) technischer Anforderungen des Produktes umfassend physikalische Anforderungsgrößen (6) und Hinterlegen der Liste (4) in einer Datenbank (8)
    - Hinterlegen von Ökologie-Informationen (10) in Form von physikalischen Größen in der Datenbank (8), die zumindest Informationen über verwendbare Materialien und anwendbare Produktionsprozesse für die Herstellung des Produktes (2) enthalten,
    - Festlegen von Basis-Konstruktionseinheiten (12), wobei die Basis-Konstruktionseinheiten (12) mit den Ökologie-Informationen (10) und der Liste (4) physikalische Anforderungsgrößen (6) in der Datenbank (8) verknüpft werden,
    - Festlegen eines ersten Zielwertes für die physikalischen Anforderungen (6) der Liste (4) und Festlegen eines ersten Toleranzbandes für den ersten Zielwert für mindestens eine Basis-Konstruktionseinheit (12)
    - Berechnen von Konstruktionsalternativen (16) für die jeweilige Basis-Konstruktionseinheit (12) mittels eines CAD- und/oder CAM-Systems (18) auf einem Computer (22), sodass die physikalische Anforderungsgröße (6) als Zielfunktion innerhalb des Toleranzbandes liegen,
    - Ermitteln eines zweiten Zielwertes einer Ökologie-Bewertungsgröße (14) für mindestens eine Basis-Konstruktionseinheit (12) sowie Festlegen eines zweiten Toleranzbandes für die Ökologie-Bewertungsgröße (14),
    - Durchführen der Konstruktion einzelner Basis- Konstruktionseinheiten (12) mittels des CAD- und/oder CAM-Systems (18) unter Verwendung einer der Konstruktionsalternativen, die dem ersten und dem zweiten Toleranzband genügen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ökologie-Bewertungsgröße (14) in der physikalischen Größe Energie oder Masse an ausgestoßenem Kohlendioxid bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines auf einem Computer (22) ablaufenden Äquivalenzmodells (26) die Ökologie-Informationen (10) in die angewandte physikalische Größe der Ökologie-Bewertungsgröße (14) transformiert werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Zielwert (36) als der minimale Wert definiert ist, der bei der Erstellung der Konstruktionsalternativen (16), die den ersten Zielwert erfüllen, ermittelt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ergebnis der Ermittlung der Ökologie-Bewertungsgröße (14) für mehrere Konstruktionsalternativen (16) an das CAD- und/oder CAM-Systems (18) übertragen werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die übertragenen Konstruktionsalternativen (16) und die dazugehörigen Ökologie-Bewertungsgrößen (14) auf einem Bildschirm (28) dargestellt werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Datenbank (8) und Computer (22) zur Durchführung der Berechnung des zweiten Zielwertes Teil einer digitalen Repräsentation (30) sind.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das CAD und/oder CAM-System (18) und/oder das Äquivalenzmodell (26) Teil der digitalen Repräsentation (30) sind.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Durchführung des Verfahrens eine Aktualisierung der Ökologie-Informationen (10) erfolgt und das Verfahren erneut zur Konstruktion eines zweiten Produktes durchgeführt wird.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021129922A1 (de) * 2019-12-23 2021-07-01 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum betreiben eines automatisierungssystems und automatisierungssystem
CN114462133A (zh) * 2022-04-12 2022-05-10 天津水泥工业设计研究院有限公司 基于数字孪生技术装备产品碳足迹数字化核算方法及系统
EP4109359A1 (de) * 2021-06-22 2022-12-28 Airbus Operations GmbH Verfahren und system zur lebenszyklusbewertung eines verkehrsmittels wie z. b. eines flugzeugs

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021129922A1 (de) * 2019-12-23 2021-07-01 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum betreiben eines automatisierungssystems und automatisierungssystem
EP4109359A1 (de) * 2021-06-22 2022-12-28 Airbus Operations GmbH Verfahren und system zur lebenszyklusbewertung eines verkehrsmittels wie z. b. eines flugzeugs
CN114462133A (zh) * 2022-04-12 2022-05-10 天津水泥工业设计研究院有限公司 基于数字孪生技术装备产品碳足迹数字化核算方法及系统

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHIH-HSING CHU ET AL: "A Concurrent Approach to Reducing Environmental Impact of Product Development at the System Design Stage", IEEE TRANSACTIONS ON AUTOMATION SCIENCE AND ENGINEERING, IEEE SERVICE CENTER, NEW YORK, NY, US, vol. 9, no. 3, 1 July 2012 (2012-07-01), pages 482 - 495, XP011463483, ISSN: 1545-5955, DOI: 10.1109/TASE.2012.2194703 *
MARIO SCHMIDT: "Von der Material- und Energieflussanalyse zum Carbon Footprint - Anleihen aus der Kostenrechnung", CHEMIE INGENIEUR TECHNIK, WILEY VCH. VERLAG, WEINHEIM; DE, vol. 83, no. 10, 23 September 2011 (2011-09-23), pages 1541 - 1552, XP071107827, ISSN: 0009-286X, DOI: 10.1002/CITE.201100138 *
MORTLOCK TRIER ET AL: "Graph Learning for Cognitive Digital Twins in Manufacturing Systems", IEEE TRANSACTIONS ON EMERGING TOPICS IN COMPUTING, IEEE, vol. 10, no. 1, 8 December 2021 (2021-12-08), pages 34 - 45, XP011901941, DOI: 10.1109/TETC.2021.3132251 *

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