Integration des CO₂-Fußabdrucks von Produkten in den Digitalen Master und Digitalen Zwilling

Die Identifikation von Strategien zur Steigerung der Nachhaltigkeit von Produkten stellt produzierende Unternehmen vor große Herausforderungen. Die Voraussetzung zur Optimierung von Produkten ist die zuverlässige Ermittlung von ökologischen Kennzahlen wie dem CO₂-Fußabdruck. Die Berechnung des CO₂-Fußabdrucks ist allerdings an Rahmenbedingungen und Unsicherheiten geknüpft, da oftmals Sekundärdaten oder Schätzwerte in der Bilanzierung verwendet werden. Diese Unsicherheiten tauchen im alleinstehenden Endwert nicht auf und werden in der Nachhaltigkeitsbetrachtung üblicherweise vernachlässigt. Die vorliegende Dissertation präsentiert ein Konzept zur Berechnung des CO₂-Fußabdrucks von Produkten mit ergänzendem Qualitätsmanagement und integriert die Kennzahl in den Digitalen Master bzw. Digitalen Zwilling des Produkts. Das Konzept ermöglicht die Berechnung des CO₂-Fußabdrucks in den Phasen der Produktentstehung durch die Nutzung unterschiedlicher Datenquellen. In den Phasen der virtuellen Produktentwicklung wird der Digitale Master verwendet, um Sekundärdaten aus Simulationsdaten, wie beispielsweise Rohmaterial oder Verbrauch einer Fertigungsmaschine, zu berechnen. Ab der Phase der Produktion kann der Digitale Zwilling genutzt werden, um Primärdaten automatisiert abzuleiten. Das Berechnungskonzept des CO₂-Fußabdrucks beinhaltet eine Ermittlung der Unsicherheit und wird durch ein Qualitätsmanagement ergänzt. Das Qualitätsmanagement beruht auf der Vergabe von Qualitätsindikatoren und resultiert in der neu entwickelten Kennzahl der Aussagekraftzahl des CO₂-Fußabdrucks. Begleitet wird die Berechnung des CO₂-Fußabdrucks durch ein Provenienzmodell, welches die Berechnung und deren Ursprung als Graph abbildet. Der Graph bietet eine Optimierungsgrundlage, indem die Hauptverursacher als Anteile an der Gesamtkennzahl direkt einsehbar sind. Weiterhin bildet der Graph die Aktivitäten, deren beteiligte Akteure sowie deren Vernetzung ab und es werden Informationen zur Zusammensetzung der Berechnung, den Autoren und Informationslücken dargestellt. Das Resultat des CO₂-Fußabdrucks und des Qualitätsmanagements wird nach der Berechnung mit dem Digitalen Master bzw. Digitalen Zwilling verknüpft und wird somit in den Phasen der Produktentstehung als Grundlage einer Optimierung des Produkts zur Steigerung der ökologischen Nachhaltigkeit verstanden. Das Konzept dieser Dissertation wird in einem softwaretechnischen Anwendungssystem prototypisch umgesetzt, welches als Assistenzsystem in der Produktentstehung genutzt werden kann.

The identification of strategies to increase sustainability of products brings major challenges for manufacturing companies. The prerequisite for optimizing products is the availability of reliable key indicators such as the carbon footprint. However, the calculation of the carbon footprint is linked to general conditions and uncertainties, as secondary data or estimated values are often used in the calculation. These uncertainties do not appear in the stand-alone final value and are ignored in the sustainability assessment. This dissertation presents a concept for calculating the carbon footprint of products with additional quality management and integrates the key indicator into the Digital Master respectively the Digital Twin of a product. The concept enables the calculation of the carbon footprint in the phases of product development by using different data sources. In the virtual product development phase, the Digital Master is used to calculate secondary data from simulation data such as raw materials or the consumption of a production machine. From the production phase onwards, the Digital Twin can be used to automatically derive primary data. The calculation concept of the carbon footprint includes a determination of uncertainty and is expanded by a quality management, which is based on the assignment of quality indicators and results in the new key indicator of the expressiveness value of the carbon footprint. The calculation of the carbon footprint is accompanied by a provenance model, which depicts the calculation and its origin as a graph. The graph provides a basis for optimization by making the main sources of the key figure directly visible. Furthermore, the graph shows the activities and the actors involved as well as their interconnections and provides information on the composition of the calculation, the authors and information gaps. The result of the carbon footprint and quality management is linked to the Digital Master or the Digital Twin after the calculation and is thereby understood in the phases of product creation as the basis for optimization to increase the ecological sustainability of the product. The concept of this dissertation is prototypically implemented in a software application system which can be used as an assistance system in product development.