Ontwerpen is altijd een evenwicht geweest tussen prestaties, kosten en kwaliteit. Maar deze maatstaven houden geen rekening met het effect op het milieu van een product gedurende zijn levensduur. De duurzaamheid van ieder product moet worden toegevoegd om ervoor te zorgen dat ieder effect wordt aangepakt, zelfs de meest complexe systemen. De enige effectieve oplossing begint helemaal aan het begin. Gedurende zijn hele levensduur wordt bijna 80 procent van het milieueffect van een product bepaald tijdens de ontwerpfase – welke materialen worden gebruikt, hoe het wordt vervaardigd, energie-efficiëntie, en wat overblijft nadat de toegevoegde waarde van het onderdeel is afgelopen. De oplossing voor deze problemen is om duurzaamheid in te zetten als een extra bedrijfsnorm en digitalisering te gebruiken om deze norm snel te bereiken.
Het ontwerpen van duurzame producten vereist een sterk inzicht in de milieueffecten, inclusief het materiaal- en energieverbruik van het product, de milieueffecten van het fabricageproces en het verwachte verbruik van hulpbronnen. De ontwerper moet rekening houden met leveranciers, distributeurs en logistieke dienstverleners en tegelijkertijd duurzaamheid, winstgevendheid, prestaties en kwaliteitsdoelstellingen in evenwicht brengen. Gegevens en digitalisering zijn essentieel voor een holistische benadering van ontwerp, waarbij gebruik wordt gemaakt van de collectieve intelligentie van de digitale onderneming. Om dit te bereiken zullen bedrijven het productontwerp opnieuw moeten vormgeven op basis van een systeem van systemen, verbonden industriële ecosystemen en holistische duurzaamheidsindicatoren.
Begin met de systemen van het systeemontwerp
Een systeem kan zo specifiek zijn als een kenmerk van de printplaat in een elektronisch apparaat of zo uitgebreid als de omgeving waarin dat product zal worden gebruikt. De meeste moderne producten kunnen niet als een enkel systeem worden beschreven vanwege de vele technische disciplines die voor de ontwikkeling nodig zijn. In plaats daarvan worden deze producten beschouwd als een systeem van systemen. Bij het werken aan een project vereist het coördineren van verschillende disciplines vaak simulatie om de individuele systemen te optimaliseren en vervolgens af te wegen hoe zij op elkaar reageren.
Deze robuuste simulatie wordt in eerste instantie mogelijk gemaakt door de uitgebreide digital twin van het product. Voor een scheepsschroef kan het vergroten van de bladhelling de hydrodynamische efficiëntie verbeteren. Het is tijdens het gebruik echter afhankelijk van de motor en elk tussenliggend systeem om voldoende vermogen te leveren en binnen de specificaties voor koolstofemissies te blijven. Deze multidisciplinaire optimalisaties verlopen sneller dan ooit en vereisen minder middelen om de beste oplossing te vinden.
Er is ook waarde in het simuleren van de productie om inzicht te krijgen in hoe het product wordt geproduceerd, logistieke kosten, bruikbare levensduur, en hoe het past in circulaire economieën. Vroegtijdig onderzoek levert een intelligenter gedefinieerde ontwerpruimte op en bindt deze aan wat levensvatbaar, winstgevend en duurzaam is voor het bedrijf. Eisen en beoordelingen moeten vanaf het begin naadloos worden verweven om weloverwogen beslissingen te kunnen nemen. Het ene materiaal kan worden gekozen boven het andere vanwege een superieure verhouding tussen sterkte en gewicht voor productprestaties. Een materiaal kan worden vermeden vanwege de geschatte CO2-uitstootkosten van extractie in plaats van de recycleerbaarheid van weer een ander materiaal, en onderdelen kunnen worden ontworpen voor een specifiek fabricageproces zoals 3D-printen om afval te minimaliseren.
Op koers blijven in een verbonden industrieel ecosystem
Om tijdens de ontwerpfase de juiste duurzame beslissingen te kunnen nemen, is het noodzakelijk om toegang te hebben tot de meest nauwkeurige en brede verzameling gegevens. Hiermee kan een alomvattende digital twin worden gecreëerd die het uitgebreide netwerk van leveranciers, logistieke operaties en energie-infrastructuur omvat. Een dergelijke aanpak levert de collectieve intelligentie die nodig is om betere beslissingen te nemen. Naarmate uw digital twin wordt geïnformeerd met gegevens die zijn verzameld uit simulatie, productie en de waardeketen, wordt het een steeds nauwkeurige weergave van de realiteit.
Het communicatie-ecosysteem moet de hele waardeketen bestrijken en in een vroeg stadium tot stand worden gebracht – waarbij acties en gegevensuitwisseling met de leveranciers, distributeurs en andere partners worden gecoördineerd. Dit geeft ontwerpers directe toegang tot inkoopinformatie over materialen en gecontracteerde subsystemen. Tegelijkertijd verweeft een Product Lifecycle Management systeem (PLM), gericht op digitalisering, al het engineeringwerk om de complexe producten van vandaag te creëren, terwijl toch rekening wordt gehouden met de beschikbare middelen van de onderneming. De integratie van deze silo’s draagt bij aan het sneller op de markt brengen van een beter en duurzamer product.
Een goed verbonden ecosysteem voor industrieel ontwerp zorgt ook voor terugkoppelingen tussen het ontwerp en de waardeketen. De mechanical (design) engineers kunnen een product hebben ontworpen rond een aluminiumlegering in de eerste ontwerpiteraties. Vervolgens ontdekt de leverancier een iets andere legering met vergelijkbare eigenschappen, maar met een betere printbaarheid binnen de bestaande infrastructuur. Of de zakelijke beslissing nu is om de legering te veranderen of een andere productieleverancier te contracteren die betrouwbaar kan printen met de oorspronkelijke legering, dit nieuwe gegevenspunt wordt toegevoegd aan de collectieve intelligentie voor toekomstige iteraties.
Beslissingen van leveranciers kunnen dramatische gevolgen hebben voor de duurzaamheid van een product. De ene leverancier kan hernieuwbare elektriciteit gebruiken omdat hij in de buurt van wind- en zonne-energie of andere duurzame energiebronnen gevestigd is. Een andere leverancier kan geografisch gezien dichter bij de rest van de productie zitten, waardoor de uitstoot door transport en logistiek wordt beperkt. Dit soort maatstaven zijn cruciaal om producten in de hele waardeketen duurzamer te maken.
De samenwerking kan verder reiken in de waardeketen tot aan het einde van de levensduur van een product, waarbij wordt toegewerkt naar circulariteit. De keuze voor een sterker materiaal betekent dat het kan worden hergebruikt. Een sterker onderdeel kan ook moeilijker te vervaardigen zijn, waardoor meer energie-intensieve processen nodig zijn. Het volume en de variabiliteit van deze beslissingen is de reden waarom digitalisering en simulatie zo belangrijk zijn voor duurzaam ontwerp. Eenvoudige beslissingen kunnen worden geautomatiseerd en complexe beslissingen krijgen meer intelligentie.
Ontwerp verder optimaliseren met holistische duurzaamheidsindicatoren
Tenslotte is het belangrijk de beslissingen in elk stadium van de levenscyclus van een product opnieuw te bekijken en te evalueren. Holistische duurzaamheidsindicatoren moeten vanaf het begin in de digital twin worden geïntegreerd om zo de duurzaamheidsdoelstellingen in samenhang met andere eisen voortdurend zichtbaar te maken. Een vereiste hiervoor is dat het ontwerp fysieke sensoren bevat die diagnostische en milieuomstandigheden verzamelen tijdens de productie, levering en het gebruik, evenals CO2-voetafdruk en materiaalkosten. Met een grotere dataset is het zelfs mogelijk om virtuele sensoren op te nemen die vertrouwen op de modellen die in de digital twin zijn gemaakt.
Fysieke sensoren voeden de simulatiemodellen, waardoor een duidelijker inzicht wordt verkregen in beslissingen in een vroeg stadium van het ontwerp, terwijl virtuele sensoren en modellen duurzaamheidsindicatoren van complexe systemen interpoleren en extrapoleren. Deze indicatoren maken een closed-loop optimalisatie mogelijk tussen ontwerp, fabricage en het gebruik.
Klaar voor uw volgende, duurzame ontwerp
Duurzaam ontwerp gaat over bewuste beslissingen op basis van collectieve intelligentie van het ontwerp, de productie en de werking van een product in de hele waardeketen. Het maakt het mogelijk een product te leveren met zo weinig mogelijk middelen, of het nu gaat om materiaal, energie of andere middelen. Dit vereist een systeem van systeembenadering om een uitgebreide digital twin te creëren die alle verschillende disciplines, die nodig zijn om een complex product te maken, nauwkeurig weerspiegelt. Het moet ook gebaseerd zijn op een ecosysteem voor industrieel ontwerp dat de stroom van cruciale, realtime gegevens binnen de onderneming en met externe leveranciers vergemakkelijkt. En er moeten holistische duurzaamheidsindicatoren worden opgenomen om ervoor te zorgen dat beslissingen goed onderbouwd zijn om duurzaamheidsdoelstellingen naast andere bedrijfsdoelstellingen te halen. Duurzame producten beginnen met duurzame ontwerpen, gemaakt met een intentie.
Eryn Devola, Vice President of Sustainability voor Siemens Digital Industries