Nachhaltige und kreislauforientierte Produktentwicklung in der frühen Konzeptphase

Cyclometric – Sustainability and circular economy in the early concept phase

Abstract: The Cyclometric project is concerned with sustainable and cycle-oriented product development. Based on a modeling of cycle-oriented life cycles, a developed software tool “CycloP” can carry out prognosing assessments as orientation for product development. The tool supports sustainable design decisions and optimizes the recyclability of products. The software was successfully tested in the design and design creation of a cycle-oriented center console.

1 Herausforderungen nachhaltiger und kreislauforientierter Produktentwicklung

Die europäische Union hat sich zum Ziel gesetzt, bis zum Jahr 2050 klimaneutral zu sein und eine Kreislaufwirtschaft zu etablieren [1]. Mit der EU-Verordnung für das Ökodesign nachhaltiger Produkte (ESPR) [2], mit der Corporate Sustainability Reporting Directive (CSRD) [3] oder mit der geplanten EU-Richtlinie zur Verbesserung der Kreislauffähigkeit der Automobilindustrie [4] werden bereits heute Rahmenbedingungen geschaffen, die Unternehmen incentivieren und zum Teil regulatorisch verpflichten, ökologisch nachhaltige und kreislauffähige Produkte auf den Markt zu bringen. Das notwendige ökologische Potenzial erreicht man jedoch nur, wenn bei der Produktentwicklung ökonomische, ökologische und soziale Vor- und Nachteile sowie der Trade-Off zwischen diesen berücksichtigt werden [5]. Wenig genutzte oder falsch angewandte Technologien und Gestaltungsansätze können den angestrebten nachhaltigen Effekt mindern oder sogar ins Gegenteil verkehren („Rebound-Effekte“). Von zentraler Bedeutung ist dabei die frühe Phase der Produktentwicklung, Bild 1.

Schätzungen gehen davon aus, dass sich durch fundierte Entscheidungen in der frühen Phase erwartete Einsparungspotenziale von Rohstoffen und Emissionen im Bereich von knapp 10 % bis 60 % realisieren lassen [6–11]. In diesen frühen Entwicklungsphasen muss auch der erwartete Lebenszyklus des Produkts mitbetrachtet werden. Denn in dieser manifestieren sich die Trade-Off Entscheidungen: Lohnt es sich ein nachhaltiges Material einzusetzen, das eventuell nicht so lange hält? Oder ist eine robuste Modulstruktur zweckdienlich, die sich gut reparieren lässt, allerdings im Recycling eventuell Nachteile aufweist?

Im -geförderten Verbundprojekt Cyclometric wurde dafür das Software-Werkzeug „CycloP“ entwickelt. Mit „CycloP“ kann der Lebenszyklus des Produkts sowie die Produktgestalt modelliert und bezüglich auftretender Trade-Offs analysiert werden. Die Software wurde anhand eines Entstehungsprozesses einer kreislauforientierten und smarten Pkw-Mittelkonsole erprobt und evaluiert.

2 Modellierung kreislauforientierter Lebenszyklen

Allgemein kann ein Lebenszyklus als eine Abfolge von Zuständen verstanden werden [12]: Beispielsweise wird ein Pkw zuerst produziert, dann als Neuwagen verkauft und genutzt, anschließend als Gebrauchtwagen weiterverwendet und abschließend verschrottet und recycelt.

Aus Perspektive der ökologischen Nachhaltigkeit und der Kreislaufwirtschaft sind neben dem oftmals betrachteten Recycling insbesondere diejenigen Zustände interessant, die zu einem (verfrühten) End-of-Life des Produkts führen. Derartige Zustände können beispielsweise sein, dass eine Komponente defekt ist oder dass das Produkt design- oder funktionstechnisch nicht mehr aktuell ist. Diese „kritischen“ Zustände gilt es zuerst zu identifizieren und dann durch entsprechende Maßnahmen, wie eine Reparatur oder einer Wiederverwendung aufzuheben, Bild 2.

Die Modellierung von kreislauforientierten Lebenszyklen erfolgt daher durch eine Abfolge von Zuständen. Dabei können individuelle Eintrittswahrscheinlichkeiten und unterschiedliche Abfolgen von Zuständen durch Übergangswahrscheinlichkeiten abgebildet werden, Bild 3.

Kritische Zustände werden entsprechend in rot markiert. Für diese kritischen Zustände müssen in der Produktentwicklung Maßnahmen definiert werden, die helfen, die Auswirkungen auf die ökologische Nachhaltigkeit zu reduzieren. Derartige Maßnahmen werden in der Literatur allgemein als „R-Strategien“ [13] definiert und umfassen zum Beispiel remanufacture, reuse, recycle oder repair. Jede R-Strategie umfasst dabei (1) einen definierten Prozess, der durchlaufen wird, (2) eine Menge an benötigten Aufwendungen, wie zum Beispiel Strom oder zusätzliches Material für eine Reparatur, die bilanziert werden können sowie (3) spezifische Anforderungen an die Produktgestalt, damit die R-Strategie überhaupt umsetzbar ist. Diese R-Strategien werden bei kritischen Zuständen im Lebenszyklus auf die unterschiedlichen Komponenten oder Module des Produkts angewendet. Die gegenseitige Beeinflussung der Eigenschaften der R-Strategien führt dann allerdings zu komplexen Zusammenhängen, die schwer zu analysieren oder zu berechnen sind. Um alle Aspekte der vollständigen Produktstruktur umfassend zu analysieren, kommen daher in „CycloP“ mathematische Modelle der R-Strategien zum Einsatz, die diese Abhängigkeiten und widersprüchlichen Beziehungen analysieren und aufzeigen können [14].

Die Bewertung der R-Strategien sowie des gesamten Produktdesigns erfolgt anschließend anhand von Kennzahlen, wie beispielsweise des Energie- und Ressourcenbedarfs. Durch die Modellierung des Lebenszyklus inklusive der R-Strategien sind im mathematischen Modell bereits alle notwendigen Informationen zur Berechnung diverser Kennzahlen vorhanden.

3 Bewertungssystematik in der kreislauforientierten Produktentwicklung

Im Rahmen des Projekts wurden kreislaufwirtschaftliche Kennzahlen (Circular Economy (CE-) Indicators) als potenzielle Indikatoren, Indizes, Variablen oder deren Kombinationen untersucht, die aufzeigen, wie die Kreislauffähigkeit von Unternehmen oder das Kreislaufpotenzial von Produkten anhand unterschiedlicher Beschreibungsgrößen dargestellt und gegebenenfalls quantifiziert werden kann.

Ein Ziel war es, ein Bewertungssystem zu entwickeln, das den Begriff der „Kreislauffähigkeit“ eines Produkts im Kontext der Produktentwicklung erfassbar und letztlich bewertbar macht. Das Bewertungssystem in Cyclometric konzentriert sich auf die kreislaufwirtschaftlichen Optionen, die sich aus den bereits eingeführten „R-Strategien“ für ein produzierendes Unternehmen in Bezug auf das zu entwickelnde Produkt ergeben. Zahlreiche Indikatoren-Konzepte, Bewertungstools und Bewertungs-Frameworks wurden untersucht und einzelne Indikatoren extrahiert. Auf Basis der identifizierten kreislaufwirtschaftlichen Indikatoren und unter Miteinbeziehung kreislaufrelevanter Normen und Standards wurden übergeordnete Bewertungsdimensionen für R-Strategien gebildet, die für alle im Projekt relevanten R-Strategien Gültigkeit besitzen. Hierzu gehören insbesondere die Dimensionen der Material- und Energieeffizienz, der Wiederverwertbarkeit, der Langlebigkeit, der Reparierbarkeit, und der Wiederverwendbarkeit. Für die einzelnen Bewertungsdimensionen erfolgte eine hierarchische Untergliederung in nachgelagerte Bewertungskriterien, wie zum Beispiel Bauweise, Modularisierung, Standardisierung, Reparaturaufwand, Materialzusammenstellung, Zerlegbarkeit. Darüber hinaus ergibt sich ein hierarchisch strukturiertes Raster von Bewertungsgrößen, das es ermöglicht, „R-Strategien“ in Form von zu erfüllenden Anforderungen zu beschreiben. Diese Anforderungen können in technisch-funktionale Produktanforderungen und -spezifikationen für die Produktentwicklung überführt und in das Produktarchitekturmodell integriert werden.

4 Softwaretool „CycloP“ für die kreislauforientierte Produktentwicklung

Zur Umsetzung der Lebenszyklusmodellierung sowie zur Unterstützung der Bewertung wurde das Softwaretool „CycloP“ [5] entwickelt, Bild 4.

Dieses Tool unterteilt sich grundlegend in drei Bereiche: Produktbeschreibung, Lebenszyklusbeschreibung und die Darstellung der Nachhaltigkeits- und Kreislaufauswirkungen. Bereich 1 „Produktbeschreibung“ entspricht dabei einer etablierten physischen Perspektive auf das Produkt und kann aus einem PLM-System geladen werden. Bereich 2 sowie Bereich 3 setzen die spezifischen Ansätze aus den beiden vorherigen Kapiteln technisch um.

Eine begleitende Methode, Bild 5, definiert relevante Entwicklungsphasen und konkrete Modellierungsschritte, die der Nutzer von „CycloP“ im Rahmen der kreislauforientierten Produktentwicklung durchläuft. Die Methode besteht aus zwei Phasen: In der ersten Phase wird das Produkt ohne Berücksichtigung zirkulärer und nachhaltiger Aspekte modelliert. Danach erfolgten die Modellierung und Analyse des Lebenszyklus sowie darauf basierend die Auswahl und Beschreibung der Nachhaltigkeits- und Kreislaufansätze (konkret: der R-Strategien). Die aus den Kennzahlen gewonnenen Erkenntnisse fließen dann wiederum in eine Adaption der ausgewählten R-Strategien oder in eine Anpassung der Produktgestaltung ein. Der Prozess wiederholt sich iterativ.

Die Gestaltungsmethode und das Softwarewerkzeug unterstützen diesem Prozess. Einerseits stellen sie die Konsistenz zwischen der Produktstruktur (zum Beispiel in SysML oder CAD-Daten) und dem modellierten Lebenszyklus sicher. Zudem können die Auswirkungen von Veränderungen, wie zum Beispiel den Lebenszyklen der Komponenten, automatisiert auf den Lebenszyklus des Produkts übertragen werden, was den Modellierungsaufwand verringert.

Die Abfolge der Zustände im Lebenszyklus wird durch spezifische wahrscheinlichkeitsabhängige Prozesse abgebildet. Die Software ermöglicht hierbei die Simulation mehrerer, sehr unterschiedlicher Lebenszyklen und berücksichtigt deren Wahrscheinlichkeiten in der Auswertung der Kennzahlen. Die Lebenszyklen und Kennzahlen zeigen dementsprechend, welche Zustände das produzierte Produkt mit welcher Wahrscheinlichkeit und zu welchem Zeitpunkt durchläuft. Da die R-Strategien mit ihren Effekten eine spezielle Form des Zustands darstellen, können sie implizit einbezogen werden. Die wahrscheinlichkeitsgewichteten Verbräuche im Lebenszyklus werden automatisch an eine LCA-Software übermittelt, die diese auswertet und die Ergebnisse im Softwarewerkzeug anzeigt. So kann die Gesamtauswirkung einer Gestaltungsentscheidung oder einer R-Strategie während der Entwicklung unmittelbar beurteilt werden. Auch Kombinationen von R-Strategien können im Lebenszyklus modelliert und bewertet werden.

Um die Qualität, den Nutzen und die Anwendbarkeit des Softwarewerkzeugs zu überprüfen, wurden Evaluierungsrunden und Interviews mit Entwicklern und Designern durchgeführt. Hierbei zeigte sich, dass die Software einerseits eine Effizienzsteigerung in der Entwicklung kreislauforientierter Produkte bewirkt, da zielführende R-Strategien und Gestaltungsansätze direkt identifiziert werden können. Andererseits bewirkt sie auch eine Risikoreduktion im Entwicklungsprozess, da von der ersten Designskizze an Auswirkungen und Zielkorridore für die ökologische Nachhaltigkeit und Kreislauffähigkeit bestimmt werden können.

5 Konzeption und Design einer kreislauforientierten Mittelkonsole

Für die Definition eines Produktkonzepts einer nachhaltigen und smarten Mittelkonsole, wurde ein methodischer Ansatz, das „Circularity Wheel“ entwickelt, Bild 6.

Es strukturiert die einzelnen Schritte, um Produktdesigner in ihrer Arbeit zu unterstützen. Im ersten Schritt werden die übergeordneten Ziele definiert, bevor die Nachhaltigkeitsziele festgelegt werden. Darauf folgt die Ableitung von Funktionen, die das Produkt erfüllen muss. Diese Spezifikation bildet die Basis, um unter Berücksichtigung von R-Maßnahmen und potenziellen Geschäftsmodellen ein Produktdesign zu definieren. Dabei wird stets das Zielgruppenprofil im Zentrum des Wheels im Blick behalten. Im nachfolgenden Schritt wurde auf Basis des „Circularity Wheels“ ein Flowchart mit Handlungsanweisen entwickelt.

Aspekte der Kreislaufwirtschaft sollten von Anfang an in die Produktentwicklung integriert und durchgängig berücksichtigt werden. Das bedeutet, dass bereits in der Konzept- und Design-Phase Ziele und Strategien für die Kreislauffähigkeit berücksichtigt werden müssen. Dies stellt jedoch eine bisher nur bedingt gelöste Herausforderung dar, da insbesondere in der frühen Phase die Produktspezifikationen oft ungenau sind und erhebliche Unsicherheiten bestehen. Auf Basis dieser unklaren Grundlagen müssen erste Designentscheidungen getroffen werden, die weitreichende Auswirkungen auf die Entwicklung haben können.

Damit die frühe Phase strukturiert abläuft, wurde ein Ansatz für die ersten Designphasen entwickelt. Denn bereits bei ersten Designentwürfen sollen Kreislaufstrategien und -maßnahmen berücksichtigt werden. Zunächst wird der „Trigger-Point“ identifiziert, der als Grundlage für die Analyse dient. Dies können beziehungsweise Regulierungen, Trends oder neue Technologien sein. Anschließend wird der Innovationsgrad hinsichtlich radikaler oder inkrementeller Innovation bestimmt. Dann folgt die Problemdefinition sowie die Entscheidung, ob primär Produktkomponenten oder das Geschäftsmodell im Fokus stehen. Danach werden die notwendigen Funktionen und ästhetischen Anforderungen festgelegt und erste Ideen entwickelt. Diese Ideen werden in einem Pool gesammelt und bewertet. Die am besten bewerteten Ideen werden in Konzepte und schließlich in Designs überführt. Bild 7 veranschaulicht den Prozess.

Anhand des Design-Prozesses der frühen Phase wurde die Beispielkomponente – eine Mittelkonsole für Pkw – gestaltet. Der Fokus lag auf der Untersuchung der nachhaltigkeitsbezogenen Trade-offs zwischen Materialwahl und Komponentengestaltung über mehrere Lebenszyklusphasen. Ein wesentlicher Faktor bestand in der Nutzung kreislauffähiger Fügetechniken, um eine ideale Demontage der Komponenten zu gewährleisten. Nur so können Maßnahmen wie beispielsweise Reparatur oder Wiederverwendung effizient umgesetzt werden. Zu diesem Zweck wurden innovative und alternative Fügeprinzipien identifiziert, um das Aufbauen und Zerlegen der Baugruppe zu realisieren. Bild 8 zeigt eine Übersicht der Fügeprinzipien. Zusätzlich wurden erste Formkonzepte und Aufbauprinzipien der Mittelkonsole erstellt, Bild 9.

Parallel zu den Füge- und Prinzip-Skizzen wurden Materialien für die Mittelkonsole festgelegt. Dabei lag der Fokus nicht immer auf der Wahl des „nachhaltigsten“ Materials, sondern auf solchen, die im Einklang mit den Kreislaufstrategien optimal eingesetzt werden können, aber auch eine angemessene Akzeptanz auf Seiten potenzieller Nutzer erwarten lassen. So kamen unter anderem Wolle und ein Faserverbund aus Bio-Harz und Hanf zum Einsatz. Zur Realisierung der Funktionalitäten wurden hauptsächlich smarte Textilien verwendet, wie beispielsweise eingestickte Touch-Buttons aus elektrisch leitfähigem Garn, um eingegossene, schwer recyclebare Elektronik zu vermeiden. Bild 10 zeigt die finale Mittelkonsole, die als Demonstrator auf der Hannover Messe präsentiert wurde.

6 Zusammenfassung und Ausblick

Im Projekt Cyclometric konnten Methoden einer Software-Lösung entwickelt werden, die es Unternehmen erlaubt, Nachhaltigkeitsbewertungen und Konzepte der Kreislaufwirtschaft bereits in frühen Entwicklungsphasen durchzuführen. Die neu entwickelte Software „CycloP“ bietet dabei ab der ersten Produktidee Abschätzungen zu CO₂-Ausstoß und Lebenszyklus, visualisiert Schwachstellen und gibt Empfehlungen zur Materialauswahl. Flankierend zur Tool-Entwicklung wurde in Zusammenarbeit mit Unternehmen eine innovative Mittelkonsole für Pkws gestaltet, die biobasierte Materialien und modulare Designs kombiniert, um Reparatur und Wiederverwendung zu fördern.

Ab Herbst sollen diese Arbeiten fortgesetzt werden: In einem internationalen Forschungsprojekt wird das Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO mit der KTH Stockholm die Software zu einem vollwertigen Assistenten für die kreislauforientierte Produktentwicklung weiterentwickeln. In der Zwischenzeit stehen einige Anfragen von Unternehmen an, die die Software sowie die damit verknüpfte Methodik gerne bei sich testen und anwenden würden. Aufgrund der Abstraktion des Grundmodells kann die Software auch in anderen Branchen – abseits der Automobilindustrie – eingesetzt werden.

Danksagung: Der Dank gilt dem BMFTR zur Förderung des Verbundprojekts „Modellbasierte Entscheidungsunterstützung zur proaktiven sowie Lebenszyklus gerichteten Entwicklung von Fahrzeug-Komponenten – Cyclometric“ in der Fördermaßnahme Transformation zur nachhaltigen Wertschöpfung – Unternehmen auf dem Weg zur kreislauffähigen Mobilität (TransMobil) im Programm „Zukunft der Wertschöpfung – Forschung zu Produktion, Dienstleistung und Arbeit“ (FKZ: 02J21E030).

Literatur

1. Europäische Kommission: Der europäische Grüne Deal. Stand: 04.04.2025. Internet: https://commission.europa.eu/strategy-and-policy/priorities-2019-2024/european-green-deal_de. Zugriff am 04.04.2025
2. European Commission: Proposal for Ecodesign for Sustainable Products Regulation. Stand: 30.03.2022. Internet: https://environment.ec.europa.eu/publications/proposal-ecodesign-sustainable-products-regulation_en. Zugriff am 16.08.2024
3. LBBW: Nachhaltige Produkte sind ein Wettbewerbsvorteil. Stand: 19.08.2024. Internet: https://www.lbbw.de/artikelseite/verantwortung-zeigen/weleda-nachhaltige-produkte-wettbewerbsvorteil_7ay8qgnu6_d.html. Zugriff am 19.08.2024
4. Tran, Y.; Meyer, E.; Bloch, L. et al.: Studie zur Nachhaltigkeit im Mittelstand – Bestandsaufnahme und Handlungskompass, Hasso-Plattner-Institut für Digital Engineering gGmbH, Potsdam, 2024
5. Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO: Cyclometric – Fraunhofer IAO. Stand: 19.03.2025. Internet: https://cyclometric.de/. Zugriff am 19.03.2025
6. Fuchs, S.; Mohr, S.; Orebäck, M. et al.: Product sustainability: Back to the drawing board. Stand: 07.02.2022. Internet: https://www.mckinsey.com/capabilities/operations/our-insights/product-sustainability-back-to-the-drawing-board. Zugriff am 08.09.2024
7. Briem, A.-K.: Projektvorstellung „Cyclometric“. Stuttgart 11.08.2023
8. Briem, A.-K.; Hong, S. H.; Leinemann, T. et al.: Thinking and designing sustainably from the very beginning – Potentials and challenges of integrating LCA in early product development and innovation processes, 11th International Conference on Life Cycle Management LCM2023, Lille, 2023
9. Diaz, A.; Schöggl, J.-P.; Reyes, T. et al.: Sustainable product development in a circular economy: Implications for products, actors, decision-making support and lifecycle information management. Sustainable Production and Consumption 26 (2021), S. 1031–1045
10. Grochowski, E. M.; Müller, A.-K.; Merli, G. et al.: Produktentstehungsprozess in den frühen Phasen unter Berücksichtigung der Herausforderungen im Forschungscampus ARENA2036, SSP 2015, 2015
11. Ventura, A.; Heller, K.; Loh, A. et al.: Six Strategies for Designing Sustainable Products. Stand: 27.03.2023. Internet: https://www.bcg.com/publications/2023/six-strategies-to-lead-product-sustainability-design. Zugriff am 08.09.2024
12. Block, L.; Werner, M.; Spindler, H. et al.: A Variability Model for Individual Life Cycle Paths in Life Cycle Engineering. Future Automotive Production Conference 2022 (2023), pp. 73–85
13. Potting, J.; Hekkert, M.; Worrell, E. et al.: Circular Economy: Measuring innovation in the product chain, The Hague, 2017
14. Schwahn, M.; Potinecke, T.; Block, L. et al.: Enabling the design for circularity through circularity measures. Breaking down the R-strategies into useful design measures. Design Conference 2024 2024