DiCES

Ausgangssituation

Industrielle Wertschöpfung ist heute linear; sie endet aktuell weitgehend beim Konsumenten. Als Konsequenz ist Wirtschaftswachstum – bei gleichzeitiger Reduktion des Ressourcenbedarfs – damit nicht erreichbar. Dieser Widerspruch kann durch Kreislaufwirtschaft, die sich durch Entschleunigung, Verringerung und Schließung von Energie- und Materialkreisläufen auszeichnet, aufgehoben werden. Jedoch werden bestehende Kreislaufstrategien, auch als ‚ReX-Strategien‘ bezeichnet, dabei primär als singuläre Strategie eingesetzt. Die alleinige Fokussierung einer ReX-Strategie, wie z. B. ‚Re-pair‘, führt dazu, dass die vollen ökologischen und ökonomischen Potenziale der Kreislaufwirtschaft nicht ausgenutzt werden.

Zur Ausschöpfung dieser Potenziale bedarf es der Gestaltung von Wertschöpfungssystemen, die eine parallele Integration mehrerer Kreislaufstrategien ermöglichen. Dabei stellen das Fehlen einer geeigneten multikriteriellen Entscheidungsunterstützung zur Bestimmung der ökologisch und ökonomisch optimalen ReX-Strategie, die mangelnde Vernetzung der Produktlebenszyklen und der zugehörigen IT-Systeme sowie die Einschränkungen durch lineare, nicht skalierbare Produktionssysteme Herausforderungen dar. Um diese Einschränkungen herkömmlicher Ansätze aufzulösen, ist es das Ziel dieses Forschungsvorhabens, ein datenbasiertes integriertes Wertschöpfungssystem der multidimensionalen Kreislaufwirtschaft zu entwickeln.

Lösungsweg

Mithilfe eines KI-Modells wird eine prädiktive Vorhersage der Kreislaufwirtschaftsaufwände für Produkte möglich, die sich noch im Nutzungszyklus befinden. Die Auswahl der ökologisch und ökonomisch optimalen ReX-Strategie erfolgt in einem datenbasierten, multikriteriellen Entscheidungsmodell. Durch die daraus entstehenden Überschneidungen mehrerer Produktlebenszyklen bildet die Entwicklung einer multizirkulären Auftragsabwicklung, parallel zu einer skalierbaren hybriden Produktion, die Grundlage dieses Projekts. Darüber hinaus werden die Auswirkungen auf die Produktkonfiguration und die kreislaufwirtschaftsfähigen Geschäftsmodelle untersucht. Durch eine praxisnahe operative, validierte Implementierung wird die Umsetzbarkeit des Vorhabens verdeutlicht und ein breiter Transfer in weite Teile der deutschen Industrie ermöglicht.

Erwartetes Ergebnis

Konkret werden durch den Lösungsansatz folgende Ergebnisse angestrebt:

• Datenbasiertes Entscheidungsmodell
  
  Gestaltung eines datenbasierten Entscheidungsmodells, das die optimale Auswahl der ReX-Strategie und dazugehörige Beschaffungs- und Ressourcennotwendigkeiten basierend auf Daten eines Produktzwillings und den Eigenschaften des Wertschöpfungssystems realisiert. Dies ermöglicht eine wettbewerbsfähige Kreislaufwirtschaft unter Berücksichtigung ökologischer Faktoren und den daraus resultierenden höheren Durchdringungsgrad von Kreislaufprodukten.
   
• Multizirkuläre Auftragsabwicklung
  
  Neben dem datenbasierten Entscheidungsmodell zur Auswahl der optimalen ReX-Strategie werden die notwendigen Aufgaben der multizirkulären Auftragsabwicklung entwickelt. Dabei werden bestehende Funktionsmodule der IT-Systeme S4/HANA und Digital Manufacturing Cloud (DMC) von SAP adaptiert, sodass eine datenbasierte Unterstützung der zirkulären Auftragsabwicklung möglich ist. Durch die angestrebte Modularisierung der IT-Systemlandschaft der multizirkulären Auftragsabwicklung können die Forschungsergebnisse auf andere IT-Lösungsanbieter transferiert werden.
   
• Skalierbares hybrides Produktionssystem
  
  Das skalierbare hybride Produktionssystem, das eine flexible simultane Demontage, Aufbereitung und Neuproduktion fokussiert, wird durch IT-Systeme unterstützt. Die Stationskonzepte werden durch eine integrierte datenbasierte Entscheidungsunterstützung zur Bestimmung der ökologisch und ökonomisch optimalen Demontagetiefe befähigt. Dadurch wird eine Flexibilität auf zunehmende Stückzahl von ReX-Produkten ermöglicht und infolgedessen eine wettbewerbsfähige Produktion von Kreislaufprodukten sichergestellt.
   
• Nachhaltige Produktkonfiguration
  
  Die ökologische und ökonomische Effizienz des multidimensionalen Wertschöpfungssystems wird durch die Gestaltung kreislaufgerechter Produkte unterstützt. Sichergestellt wird dies durch die Konzeptionierung eines datenbasierten Vorgehens zur Multi-Parameter-Konfiguration von Produkten bezüglich der Materialzusammensetzung und kreislaufgerechter Produktmerkmale.
   
• Re-X Prediction
  
  Mittels der prädiktiven Vorhersage der ReX-Aufwände durch ein KI-Modell basierend auf einem digitalen Produktzwilling wird eine voraussagende Planung der optimalen ReX-Strategie befähigt.
   
• Service-Sustainability-Geschäftsmodell
  
  Die Ergebnisse fließen in das Geschäftsmodell ein, das verschiedene Servicebündel mit variierenden monetären und nachhaltigkeitsorientierten Eigenschaften definiert und die Kund:innen durch die Produktwiederverwendung zum nachhaltigen Handeln befähigt.
   
• Erlebbare Demonstratoren
  
  Die Implementierung in der erlebbaren Demonstrationsfabrik in Aachen dient als Successful Practice zur Entwicklung einer industriellen Skalierung der Kreislaufwirtschaft sowie als Ausgangspunkt der Transformation von der linearen zur zirkulären Wertschöpfung. Diese Implementierung ermöglicht die Ableitung eines operativ validierten Leitfadens zur Gestaltung des kreislaufwirtschaftsorientierten Wertschöpfungssystems.

Nutzen für die Zielgruppe

Das wirtschaftliche Verwertungspotenzial resultiert aus der intensiven Einbindung der Projektpartner und den umfänglichen Transfermaßnahmen, sodass die generierten Ergebnisse während und nach Projektende für die Implementierung wettbewerbsfähiger ReX-Strategien genutzt werden können. Miele nutzt die Ergebnisse zur Skalierung eines nachhaltigen Geschäftsmodells, sodass zusätzliches Umsatzwachstum bei simultaner Reduktion des Materialbedarfs ermöglicht wird. Forcam und All for One nutzen die Ergebnisse zur Weiterentwicklung ihres IT-Produktportfolios zu kreislaufbefähigenden IT-Systemen. Klima.Metrix fokussiert in der Verwertung der Ergebnisse die Weiterentwicklung ihrer aktuellen Softwarelösung zur automatisierten CO2-Bilanzierung hin zu einer ganzheitlichen datenbasierten Entscheidungsunterstützung für ökologisch orientierte Wertschöpfungsketten. Alle drei IT-Anbieter befähigen somit die vielfältigen bestehenden und neuen Kunden zu ökologischerem Handeln. Das entwickelte KI-Modell von IconPro kann als Enabler von datenbasierten ReX-Strategien weiterverwendet werden. Insbesondere die Übertragbarkeit der kreislaufbefähigenden IT-Produkte auf andere Anwenderunternehmen ermöglicht die praxisnahe Skalierbarkeit der Kreislaufwirtschaft durch die Nutzung digitaler Technologien. Die Transfermaßnahmen in Form der auch für Projektexterne zugänglichen Demonstrationsfabriken (inkl. eines Planspiels) ermöglichen zusätzlich die breite, praxisnahe Verbreitung der Ergebnisse. Ein zentrales Ergebnis des Forschungsvorhabens bildet zusätzlich der industrieerprobte Leitfaden zur eigenständigen Implementierung des Wertschöpfungssystems.

Das wissenschaftliche Verwertungspotenzial resultiert aus der Integration der Prozesse der multizirkulären Auftragsabwicklung in das etablierte Aachener PPS-Modell und die Weiterentwicklung des Aachener Fabrikplanungsvorgehens um Module zur Planung ReX-befähigter Produktionen. Zusätzlich erfolgt die Einbindung der Forschungsergebnisse in studentische und berufsbegleitende Qualifikationsmaßnahmen beider Forschungspartner und der Weiterverwertung in Publikationen, Dissertationen und Fachvorträgen.