Digitalisierung Wie digitale Technologien für mehr Nachhaltigkeit sorgen

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Die Industrie ist seit mehr als einem Jahrhundert ein Motor des technischen Fortschritts, aber gleichzeitig ein Hauptverursacher der Umweltverschmutzung. Jetzt, da die Industrie an einem Scheideweg steht, gilt es dieses Paradoxon zu überwinden. Digitalisierung unterstützt dabei.

Es wird ernst: Kunden fordern den Wandel zu mehr Nachhaltigkeit zunehmend ein. Investitionsmittel werden immer öfter nur für Unternehmen bereitgestellt, die sich für die Umwelt einsetzen; Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit hängen voneinander ab. Industrieunternehmen, die das erkennen, kommen um einen Paradigmenwechsel nicht herum, um beiden Zielen Rechnung zu tragen. Unternehmenserfolg und wirtschaftlicher Gewinn werden zukünftig verstärkt von folgenden Faktoren abhängen:

• Einführung nachhaltiger Produkte, die für Kunden attraktiver sind und damit Wachstumstreiber darstellen.

• Verbesserte operative Leistung der Produktionsstandorte, insbesondere durch die Reduzierung von Qualitätsmängeln und Energieverbrauch.

• Senkung der indirekten Kosten durch Verringerung der Reisetätigkeit der Mitarbeiter, Reduzierung und Vermeidung von Treibhausgasemissionen wie CO₂ und damit verbundener Abgaben.

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Diese wirtschaftlichen Ziele sind verknüpft mit den ökologischen Gewinnen, die die Hersteller beeinflussen können: Dekarbonisierung der Produktion durch Reduzierung der direkten Emissionen von Treibhausgasen und Partikeln, Reduzierung des Energieverbrauchs und Reduzierung der indirekten Treibhausgasemissionen, die insbesondere mit den Reisen der Mitarbeiter, Rohstoffen, Betriebsmitteln, Lieferanten, Wiederverkäufern usw. verbunden sind.

Produkte vom Entwurf bis zum Recycling denken

Nachhaltige Entwicklung erfordert daher, dass Ingenieure im Sinne eines kompletten Lebenszyklusmanagements für Produkte und Produktionsanlagen denken, vom Entwurf bis zum Recycling oder zur Zerstörung. Wirtschaftliche und ökologische Vorteile können in jeder Lebensphase eines Produkts erzielt werden – Design, Herstellung, Werbung und Marketing, Nutzungsdauer und Ende der Lebensdauer, Entsorgung oder Recycling.

Die Auswirkungen von Unternehmen auf die Umwelt müssen auf ein neutrales Niveau gesenkt werden. Um ihr Engagement für den ökologischen Wandel zu erleichtern, können Unternehmen auf Tools wie computergestütztes Design und Augmented-Reality-Software (AR) sowie Software zur Erstellung digitaler Zwillinge zurückgreifen.

Von der klassischen Fabrik zur sauberen Industrie 4.0

Vom Design zum Ökodesign: Digitale Technologien für mehr Nachhaltigkeit

Ohne es immer zu wissen, verfügen Industrieunternehmen, die sich für die digitale Transformation geöffnet haben, bereits über die erforderlichen IT-Werkzeuge, mit deren Hilfe sie den ökologischen Wandel erfolgreich gestalten können.

Alles beginnt in der Entwurfsphase. Schon seit mehreren Jahrzehnten ist computergestützte Designsoftware im Einsatz, um ein Produkt oder einen Fertigungsprozess zu entwerfen. Mit Hilfe von Simulationssoftware werden dann die physikalischen und logischen Eigenschaften unter realitätsnahen Bedingungen virtuell getestet. So müssen weniger Zwischenprototypen erstellt werden, was zu Einsparungen bei Material und Energie führt.

Wie Digitalisierung zu Ressourcenschutz führt

• Generatives Design: Generatives Design ermöglicht es Ingenieuren, Algorithmen zu verwenden, die Designoptionen für die Erfüllung bestimmter Anforderungen vorschlagen, z. B. die Notwendigkeit, die endgültige Masse eines Produkts zu reduzieren. Generatives Design fügt sich perfekt in die additive Fertigung ein, wo Letzteres möglich ist. Im Vergleich zu Verfahren wie der maschinellen Bearbeitung, bei der Material abgetragen wird und daher Abfall entsteht, ermöglicht die additive Fertigung Einsparungen bei den Materialien.

• Produktlebenszyklus-Management: Software für das Produktlebenszyklus-Management (PLM) trägt ebenfalls zu dieser positiven Dynamik bei, da sie ein ziemlich genaues Maß an Transparenz und Rückverfolgbarkeit bezüglich des Kohlenstoff-Fußabdrucks eines Produkts während seiner gesamten Lebensdauer bietet. Auf die gleiche Weise, wie wir die Masse eines Produkts aufbauen können, können wir auch seine Gesamtkohlenstoffbilanz zusammenzählen, um Ingenieuren bei der Entwicklung nachhaltiger Lösungen zu helfen.
  PLM-Software umfasst ebenfalls Funktionen, die die Einhaltung der REACH-Verordnung über die Verwendung von potenziell gesundheits- und umweltgefährdenden chemischen Stoffen sicherstellen. Bei der Wahl von weniger umweltbelastenden Komponenten und Materialien geht es nicht nur um die Erfüllung gesetzlicher Verpflichtungen. Sie vervollständigt zudem den positiven Kreislauf von Design und Wiederverwendung nachhaltiger Produkte.

• Augmented Reality und digitale Zwillinge: Designmethoden, die in einigen Fällen Augmented Reality einbeziehen, werden immer zugänglicher und ermöglichen es Entwicklern, sich mit einem maßstabsgetreuen Modell eines Produkts, dem sogenannten digitalen Zwilling (Digital Twins), zu verbinden. Der Fernzugriff auf solche Modelle macht Reisen überflüssig und spart so Energie, Kosten und Zeit.

Die gemeinsame Nutzung der genannten IT-Lösungen verkürzt die Produktentwicklungszeiten und reduziert damit den indirekten Kohlenstoff-Fußabdruck eines Produkts.

Das richtige Maß: Grundprinzip nachhaltiger Produkte

Eine wichtige Regel für umweltverträglich konzipierte Produkte ist, dass sie die angegebenen Anforderungen so genau wie möglich erfüllen müssen – nicht weniger, aber auch nicht mehr. Ein schlecht konzipiertes Produkt hat ein höheres Risiko, auszufallen und zusätzlichen Wartungsaufwand zu verursachen. Ein Produkt, das über die spezifizierten Anforderungen hinaus entwickelt wurde, verbraucht jedoch mehr Materialien, verwendet mehr Komponenten und erfordert einen höheren Wartungsaufwand während der Lebensdauer.

Weg von Wegwerfprodukten

Der Trend zu Wegwerfprodukten wird heute umfassend in Frage gestellt. Für einen ökologisch verantwortungsvollen Ansatz müssen Hersteller den umgekehrten Weg einschlagen:

• Dieser beginnt bereits in der Entwurfsphase mit der Entwicklung eines Produkts, das während seines gesamten Lebenszyklus leicht zu warten ist. Dies verlängert die Produktlebensdauer und vermeidet so einen übermäßigen Verbrauch von Materialien und Energie, die für den Austausch des Produkts erforderlich sind. Das modulare Design geht noch einen Schritt weiter, da es die Produkte skalierbar macht.

• Die Entwicklung von Produkten, die mit AR-unterstützten Wartungstechniken kompatibel sind, optimiert die Wartung und reduziert den Bedarf an dedizierten Vor-Ort-Reparaturanlagen und Personal. Das Konzept kann auf eine andere Ebene gehoben werden: Experten helfen unerfahrenem Personal aus der Ferne, ebenfalls unterstützt durch AR.

• Die Anbindung von Produkten an eine mit künstlicher Intelligenz ausgestattete Datenbank ermöglicht das Sammeln von Daten durch im Produkt eingebettete Sensoren über ein Datenübertragungsnetzwerk. Diese Daten können ausgewertet und genutzt werden, um Probleme proaktiv anzugehen, bevor sie zu Ausfällen führen. Auch das verlängert die Lebensdauer von Anlagen und Produkten.

• Die Verknüpfung von Produkten mit Datenbanken ist eine nützliche Quelle für Feedback. Die Analyse des realen Verhaltens von Produkten trägt weiter dazu bei, dass die Konfigurationen für zukünftige Fertigungsserien angepasst werden können.

Kreislaufwirtschaftsgesetz

Die neue Rolle der Produktverantwortung

Kosten- und Emissionsersparnis auf mehreren Ebenen

Daten aus der Entwurfsphase ermöglichen auch die Simulation von produktiven Systemen (Fertigung, Lagerung und Intralogistik), Prozessfaktoren wie Energieverbrauch und das Risiko von Qualitätsmängeln und Ausschuss und der Rolle des Menschen in diesen Prozessen. Die Simulation von Prozessen unterstützt Hersteller bei ihrem digitalen Wandel, indem sie den Entwurf flexibler Produktionslinien ermöglicht, die verschiedene Produktserien herstellen oder montieren können. Der Übergang von spezialisierten Standorten zu flexiblen Fabriken und dezentraler Produktion ist eine zentrale Herausforderung, sowohl in wirtschaftlicher als auch in ökologischer Hinsicht.

Auf dem Weg zu einer sparsameren Produktion

Operative Spitzenleistung beinhaltet auch den Einsatz von vernetzten Maschinen, um die Produktivität zu messen und Ausfälle zu antizipieren, die industrielle Leistung von Standorten zu vergleichen und zu optimieren sowie Qualitätsmängel zu minimieren. Die Minimierung oder gar Beseitigung von Qualitätsmängeln hat einen doppelten Nutzen. Sie vermeidet ungeplante Maschinenstillstände, die besonders kostspielig sind, und reduziert die zum Teil sehr teuren Materialverluste.

Mit modellbasierten Definition, einer IT-Projektmanagement-Methode, lassen sich diese Phasen durch Iteration mit Werkzeugen zur Simulation und Optimierung von Fertigungsprozessen verbessern. Reduzierte Betriebszeiten der Produktionslinien und ein genau abgestimmter Materialverbrauch bremsen automatisch den Anstieg der Energiekosten und der Treibhausgasemissionen.

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Diese Lösungen kombiniert mit PLM-Software erlauben eine präzise, nachvollziehbare Sicht auf Veränderungen in Maschinen und Produktionsanlagen. Vernetzte Maschinen ermöglichen es auch, reale Daten über die Leistung des Fertigungsprozesses (in Bezug auf Energieverbrauch, Qualitätsmängel usw.) an die Ingenieure und Designer zurückzusenden und so die notwendigen Korrekturen am Produkt oder dem zugehörigen Fertigungsprozess vorzunehmen.

Gut für die Umwelt und die Rendite

Eine vorausschauende Wartung profitiert auch vom Einsatz künstlicher Intelligenz. Da sie Betriebsstörungen und Ausfälle von Materialien oder Prozessen identifiziert und analysiert, sorgt sie für einen reibungslosen Betriebsablauf. Das steigert die betriebliche Effizienz erheblich und trägt indirekt dazu bei, die Industrie sparsamer zu machen. Sparsamkeit in Bezug auf Material und Energie ist gut für den Planeten... und ebenso gut für die Investitionsrendite.

Studie zur Digitalisierung im Maschinenbau

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* Markus Hannen, VP Go-to-Market bei PTC

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