Modell der Strategischen Produktplanung |
Digitale Zwillinge für kreislauffähige Produkte und Produktionsprozesse
| Zeitschrift | Industry 4.0 Science |
| Ausgabe | 41. Jahrgang, 2025, Ausgabe 3, Seite 24-31 |
| Open Access | https://doi.org/10.30844/I4SD.25.3.24 |
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Abstract
Keywords
Artikel
Trends in der Strategischen Produktplanung (SPP)
Die Strategische Produktplanung (SPP) stellt die Weichen für zukunftsfähige Produkte und den langfristigen Unternehmenserfolg. Klassische Modelle der SPP beruhen jedoch auf Vorgehensmodellen, die in den 80er Jahren für die Planung mechanischer Produkte entworfen wurden. Über aktuelle technologische, gesellschaftliche und wirtschaftliche Trends wie Nachhaltigkeit, Kreislaufwirtschaft, Digitale Geschäftsmodelle und Interdisziplinarität wird in den etablierten Modellen vielfach hinweggesehen. Dabei machen genau diese Trends die Innovationsstärke von morgen aus.
Aus diesem Grund ist eine Prüfung und Weiterentwicklung etablierter Ansätze notwendig. Ein wesentlicher Treiber ist die Verzahnung von Mechanik, Elektrik/Elektronik und Software in mechatronischen und Cyber-Physischen Systemen (CPS). Dies bedingt auch in der Strategischen Produktplanung eine höhere Interdisziplinarität und Komplexität. Darüber hinaus gewinnen hybride Leistungsbündel bzw. Produkt-Service-Systeme – die Kombination physischer Produkte mit digitalen und dienstleistungsbasierten Elementen – an Bedeutung.
Ein weiterer Aspekt ist die Berücksichtigung des gesamten Produktlebenszyklus bereits in der frühen Planungsphase, um den Herausforderungen dieser Trends proaktiv zu begegnen. Moderne Technologien wie Digitale Zwillinge ermöglichen es, Informationen aus allen Phasen des Produktlebenszyklus zu sammeln, zu analysieren und kontinuierlich bereitzustellen. Diese Informationsrückführung ermöglicht es, die Produktstrategie dynamisch und inkrementell anzupassen und somit auf Veränderungen im Produktumfeld zu reagieren.
Änderungsbedarfe für Modelle der SPP
Die zuvor beschriebenen Trends stellen eine Teilmenge der aktuellen Einflussfaktoren auf die strategische Planung von technischen Systemen dar und motivieren die Weiterentwicklung existierender Ansätze. Innerhalb einer umfassenden Analyse von mehr als 230 etablierten Modellen, darunter Brankamp [1], Eversheim [2], Brockhoff [3], Schuh [4], Cooper [5] sowie der Richtlinie zur „Planung und Entwicklung neuer Produkte“ VDI 2220:1980 [6] wurden folgende Änderungsbedarfe abgeleitet:
- Flexibilität und Agilität: In Reaktion auf volatile Märkte müssen Aktivitäten zyklisch und anpassungsfähig gestaltet werden.
- Informationszirkularität: Informationen aus allen Phasen des Produktlebenszyklus müssen konsistent in die Planung zurückfließen. Digitale Zwillinge dienen dabei als zentrale Werkzeuge, um Daten in Echtzeit zu sammeln, zu analysieren und für Optimierungen zu nutzen.
- Nachhaltigkeit und Kreislaufwirtschaft: Kreislauffähige Produkte und Produktionsprozesse erfordern eine frühzeitige Betrachtung aller Lebenszyklusphasen, um Prinzipien wie Ecodesign und Materialzirkularität frühzeitig in die Produktidee und die Produktionsgestaltung zu integrieren.
SPP für erfolgreiche Produktideen
Die Strategische Produktplanung bildet das Bindeglied zwischen der Unternehmensstrategie und einem konkreten Entwicklungsauftrag [3]. Aufbauend auf der strategischen Ausrichtung des Unternehmens erfolgt die Produktportfolioplanung, die den Rahmen für die Suche nach neuen erfolgsversprechenden Produktideen setzt [7]. Ausgehend von der Unternehmensstrategie werden konkrete Innovationsstrategien abgeleitet und neue Erfolgspotenziale identifiziert [4].
Die operative Umsetzung der Innovationsstrategie muss systematisch und zielgerichtet erfolgen, Entscheidungen müssen langfristig ausgerichtet und Konflikte mit den strategischen Leitlinien vermieden werden [4]. Innerhalb der Produktportfolioplanung werden unter anderem die Unternehmensziele, der Unternehmenskontext, die Unternehmens- und Innovationsstrategie auf die Umsetzung von Entwicklungsprojekten ausgelegt [8]. Ausgehend von dem Produktportfolio liegt das Hauptziel der SPP in der Entwicklung von Produktideen und -konzepten, die anschließend in einen Entwicklungsauftrag münden [7].
Der Produktentstehungsprozess (Bild 1) umfasst fünf Phasen: Strategische Produktplanung, Produktentwicklung, Realisierung, Betrieb und Leistungserbringung sowie Außerbetriebnahme [9]. Ausgehend von Unternehmensstrategie und Produktportfolioplanung werden in der SPP erfolgversprechende Produktideen in Form eines Entwicklungsauftrages ausgearbeitet. In der Produktentwicklung werden Lösungen zur Erfüllung der Kundenbedürfnisse unter Einhaltung des Pflichtenheftes, des beschriebenen Funktionsumfanges, der budgetierten Kosten entwickelt.
Mit der Serienfreigabe beziehungsweise bei immateriellen Wirtschaftsgütern mit der Vorbereitung von Betriebsmodellen wird die Übergabe an die Realisierung eingeleitet [10]. Während der Nutzungsphase wird das Produkt betrieben, regelmäßig gewartet, instand gehalten und durch Dienstleistungen unterstützt. Bei Außerbetriebnahme wird das Produkt inspiziert, um abhängig vom Zustand über die Verwertungsstrategie zu entscheiden [9].
In erster Annäherung wird der Verlauf des Produktentstehungsprozess in Bild 1 konsekutiv visualisiert. Zu Beginn der SPP wird der zunächst unbegrenzte Problemraum sukzessive in Form eines Suchfeldes eingegrenzt und dabei erfolgversprechende Produktideen erfasst und weiterentwickelt. In der Produktentwicklung werden relevante Lösungsalternativen identifiziert und diese sukzessive zu einem technisch und wirtschaftlich tragbaren Lösungsansatz konsolidiert.
Modell der Strategischen Produktplanung (SPP)
Das nachfolgend vorgestellte Modell der SPP greift die identifzierten Änderungsbedarfe auf und bietet eine Weiterentwicklung etablierter Modelle. Die Grundgestalt des in Bild 2 visualisieren Modells ist ein zulaufender Trichter mit zyklisch angeordneten Aktivitäten, die über die gesamte SPP ausgeübt werden. Durch den Trichter wird die schrittweise Selektion alternativer Produktideen und damit die Generierung und Konkretisierung des Problemraums hin zu einer erfolgsversprechenden Produktidee in Form eines Entwicklungsauftrags symbolisiert. Die fünf zyklisch angeordneten Aktivitäten sind:
- Ziele bilden
- Zukunft analysieren
- Ideen entwickeln
- Konzept entwickeln
- Zielerreichung bewerten
Diese werden kontinuierlich mit variierenden Schwerpunkten und inhaltlich aufeinander aufbauend ausgeübt. Ergänzend dazu werden Informationen aus der Produktüberwachung kontinuierlich unterstützt, gesammelt, analysiert und bereitgestellt. In der Produktüberwachung werden aufbauend auf dem Modell „Produktüberwachung in der Produktentstehungsphase“ von Brankamp Erfahrungen und Informationen aus Produktions-, Nutzungs- und Dekommissionierung in die Strategische Produktplanung zurückgeführt [1].
Die Informationszirkularität aus nachgelagerten Prozessen – z. B. über den digitalen Produktpass (DPP), einen Digitalen Zwilling oder erweiterte Product Lifecycle Management (PLM)-Fähigkeiten – ermöglicht die Entwicklung kreislauffähiger Produkte. Hiermit können Ressourcen- und Energieverbrauch sowie Abfallaufkommen und Emissionen minimiert und die Kreislauffähigkeit zukunftsfähiger Produkte erhöht werden [9]. Die Reife der Ideensammlung bis hin zum Entwicklungsauftrag wird durch fünf Kontrollpunkte bewertet.
Aktivitäten für die Planung zukunftsfähiger Produkte
Analog zum agilen Vorgehen wird entlang der SPP wiederkehrend eine Folge von Aktivitäten durchlaufen. Die Aktivitäten sind durch die drei Schwerpunkte Fokussierung, Kreativität und Systematik geprägt. Im Modell wird diese Dreiteilung durch fünf zyklische Aktivitäten abgebildet. Der Schwerpunkt Fokussierung umfasst die Aktivitäten Ziele bilden und Zukunft analysieren.
Die Ziele der SPP werden aus der Innovations- und Produktportfoliostrategie abgeleitet [2] und mögliche Zukunftsentwicklungen in diesem Problemraum analysiert [4]. Durch die Anwendung der Szenario-Technik werden mögliche Zukunftsbilder entwickelt, die auf vernetztem Denken und der Berücksichtigung multipler Zukünfte basieren [11]. Mit zunehmender Reife des Entwicklungsauftrags werden die festgelegten Ziele an geänderte Rahmenbindungen angepasst und Zukunftsbilder verfeinert.
Der Schwerpunkt Kreativität beschreibt die Aktivität Ideen entwickeln, die das Generieren, Bewerten und Auswählen von Ideen umfasst. Im Kern steht dabei die gezielte Suche nach alternativen Zukunftsideen mit einer hohen Erfolgswahrscheinlichkeit, basierend auf den zuvor identifizierten Zukunftsbildern [2]. Die generierten Ideen werden hinsichtlich Marktfähigkeit, etwa unter Berücksichtigung der Zukunftsbilder, und Umsetzbarkeit vorselektiert [1].
Diese frühzeitige und kontinuierliche Bewertung unterstützt die Entwicklung bei der Reduzierung von Unsicherheiten und Risiken in der Umsetzung [4]. In der Ideendetaillierung werden Marktinformationen aufgenommen und in konkrete Produktideen zusammengeführt. Durch die kontinuierliche Überprüfung der Passfähigkeit der identifizierten Ideen werden zielführende Produktideen systematisch weiterentwickelt [4].
Der Schwerpunkt Systematik beinhaltet die Aktivitäten Konzept entwickeln und Zielerreichung bewerten. Kreativ generierte Ideen werden systematisch in konkrete, umsetzbare Konzepte überführt. Beispielsweise werden mit zunehmender Reife der Produktidee erste Produktanforderungen erhoben und initiale Geschäftsmodelle sowie die Umsetzung geprüft [4]. Die Konzeptentwicklung folgt dem gleichen Schema wie die Ideenentwicklung, wobei die systematisch ausgearbeiteten Konzepte kontinuierlich bewertet und sukzessive detailliert werden. Im Rahmen der Konzeptbewertung werden die erarbeiteten Konzepte auf Grundlage von komplettierten und verifizierten Informationen aus Digitalen Zwillingen verbessert [2].
Zusätzlich erfolgt ein kontinuierlicher Abgleich zwischen den festgelegten Zielen und den zugehörigen Ergebnissen. Dieser Abgleich stellt sicher, dass das Vorhaben der strategischen Planung zielgerichtet umgesetzt wird [4]. Auf Basis der gewonnenen Informationen erfolgt eine systematische Steuerung und Koordination der Aufwände und Ausgestaltung der Kernaktivitäten.
Die Produktüberwachung ergänzt die fünf zyklischen Aktivitäten um den dauerhaften Informationsaustausch in der Produktentstehung. Die klassische Produktüberwachung wird in der VDI 2220:1980 als kombinierter Kontroll- und Überwachungsvorgang für das Erfolgsverhalten von Produkten definiert [6]. Für die Entwicklung erfolgreicher Produkt-Service-Systeme wird die Definition um die Rückführung von Informationen aus dem gesamten Lebenszyklus durch Digitale Zwillinge erweitert [9]. Die Modellierung von Informationen der vernetzten Produkt-Service-Systeme ist eine Voraussetzung für die Entwicklung kreislauffähiger Produkte und muss deshalb bereits in der strategischen Planung betrachtet werden [12].
Der Digitale Zwilling ist durch die Repräsentation des aktuellen Status des betrachteten Systems, der Entwicklung, der Produktion, Nutzung, Inspektion und Außerbetriebnahme eine Technologie zur Ermöglichung der Informationszirkularität [9]. Basierend auf Produktinstanzen im Digitalen Master und der Anreicherung durch Informationen im Digitalen Schatten aus der Realisierung und Nutzung existierender Produkte können einzelne Digitale Zwillinge Informationen zurück in die SPP führen [13].
Die fünf Kontrollpunkte der Strategischen Produktplanung
Die SPP umfasst fünf Kontrollpunkte, die entlang zunehmender Reife durchlaufen werden und sicherstellen, dass eine Produktidee systematisch von der Problemstellung bis zum umsetzungsreifen Entwicklungsauftrag ausgearbeitet wird. Zur Erfüllung der Kontrollpunkte ist die Vorlage definierter Artefakte der SPP (Bild 3) in ausreichendem Detaillierungsgrad erforderlich. Die Kontrollpunkte entsprechen der Bezeichnung des abschnittsweise wichtigsten Artefakts. Zur Bewertung eines ausreichenden Detaillierungsgrads der erforderlichen Artefakte sind Kontrollfragen in den entsprechenden Kontrollpunkten definiert. Die Fragen ermöglichen dem Anwender eine strukturierte und planbare Durchführung der SPP [10].
Für eine erfolgreiche Bewältigung der SPP ist eine vollständige Umsetzung der definierten Artefakte erforderlich. Die Artefakte werden dabei im Rahmen des kontinuierlichen Zyklus der fünf Kernaktivitäten erarbeitet.
Der erste Kontrollpunkt umfasst den definierten Problemraum. Dieser erfordert die Definition eines Zielbilds, einer klaren, abgeleiteten Strategie sowie zwei bis drei alternativen Zukunftsbildern. Ziel der Zukunftsbilder ist es, gesellschaftliche Trends sowie Markt- und Technologiepotenziale frühzeitig zu erkennen und gezielt in der strategischen Produktplanung zur berücksichtigen [11]. Die Zukunftsbilder sind Grundlage für die Ableitung konkreter Innovationsansätze und die Ausrichtung der Ideengenerierung [4]. Gesamthaft bilden diese Artefakte die grundlegende Ausrichtung und den Handlungsrahmen für erfolgversprechende Produktideen. Durch den definierten Problemraum werden die Innovationsaufwände auf strategisch relevante Themen fokussiert und relevante Ideen generiert [14].
Der zweite Kontrollpunkt umfasst eine Ideensammlung, welche basierend auf Aussagen und Inhalten zuvor entwickelter Suchfelder, Zukunftsszenarien und einem formulierten Werteversprechen erarbeitet wird. Innerhalb der Suchfelder wird nach generischen Ideen gesucht. Die notwendigen Parameter umfassen unter anderem Funktion, Funktionsprinzipien, Stoffe, Verfahren, Trends und Design [6].
Diese lose Sammlung von Ideen stellt die Ausgangsbasis für den dritten Kontrollpunkt, die Ideenauswahl, dar. Um eine erste Auswahl der gesammelten Ideen zu erreichen, ist eine Übersicht über zentrale Stakeholder, ein Bewusstsein für das Kompetenzprofil des Unternehmens sowie ein Bewertungsmaßstab erforderlich.
Ausgewählte Ideen werden zu Produktideen ausgearbeitet. Eine Produktidee wird erreicht, wenn für die ausgewählten Ideen die technische und wirtschaftliche Machbarkeit nachgewiesen wurde. Ferner müssen weitere Artefakte wie ein Lebenslaufkonzept, Personas und User Stories existieren, die die Umsetzung und Marktfähigkeit der Produktidee gewährleisten. Dafür werden bereits erste Angaben zu den Arbeitsprinzipien und konstruktiven Aufbau initial aufgenommen [15]. Im Kern liegen ausgewählte und validierte Produktkonzepte vor, deren technisch-wirtschaftliche Machbarkeit bestätigt ist, sodass sie in den Produkt- und Marktentwicklungsprozess überführt werden können [4].
Die finale Reife der Produktidee wird durch den Kontrollpunkt Entwicklungsauftrag repräsentiert. Im Entwicklungsauftrag laufen zentrale Artefakte, wie Machbarkeitsanalyse, Lebenslaufkonzept und Geschäftsmodell, zusammen und bilden die Grundlage für die anknüpfende Produktentwicklung [7].
Ausprägungen von Kernaktivitäten im Projektverlauf
Das Modell baut auf dem Grundsatz auf, dass alle Aktivitäten über den gesamten Verlauf der SPP von Bedeutung sind, jedoch Schwerpunkte verlagert werden. So variiert sowohl die inhaltliche Ausrichtung als auch der Aufwandsanteil der Kernaktivitäten. Die Ausprägungen der Kernaktivitäten sind projektspezifisch, sodass ein fallspezifisches Tailoring erforderlich ist. Auf Basis der Projekt- und Industrieerfahrungen der Autoren wurden durch retrospektive Betrachtung der Projektergebnisse beispielhafte Ausprägungen identifiziert (Bild 4).
Die Projektergebnisse aus den vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekten Decide4ECO und KLUG wurden zusammen mit Erfahrungen aus bilateralen Forschungsprojekten in den Branchen Stahlverarbeitung, Sondermaschinenbau und qualitätssichernde IT-Systeme eingebracht. Zu Beginn der SPP werden die Kernaktivitäten Zielfindung und Zukunftsanalyse priorisiert durchgeführt, um den initialen Problemraum als Grundlage für weitere Aktivitäten zu fokussieren.
Die Ideenentwicklung beruht auf kreativen Aktivitäten, welche besonders für die Generierung von Ideen und deren Auswahl essenziell sind. Mit zunehmender Reife der Produktidee nimmt die Relevanz der kreativen Aktivitäten ab und systematische Aktivitäten der Konzeptentwicklung und Bewertung der Zielerreichung sind von besonderer Bedeutung. Die Kombination aus kontinuierlichen Aktivitäten und Kontrollpunkten ermöglicht einen späteren Einstieg in das SPP Modell, wie es beispielsweise in der Überarbeitung eines Fahrzeugmodells üblich ist.
Mit Strategischer Produktplanung zum Projekterfolg
Das präsentierte Modell greift die identifizierten Handlungsbedarfe existierender Modelle auf und bietet eine klare, iterative Struktur, die den gesamten strategischen Produktplanungsprozess von der Zielsetzung bis zur Übergabe an die Entwicklung abdeckt. Die fünf zyklisch durchgeführten Kernaktivitäten setzen den Rahmen für agile und flexible Anwendung des Modells und ermöglichen dadurch auch einen späteren Einstieg in die SPP. Durch die Produktüberwachung wird die Informationszirkularität bereits während der SPP ermöglicht.
Die Berücksichtigung und frühzeitige Betrachtung der Lebenszyklusperspektive befähigt zusätzlich die Nachhaltigkeit und Kreislaufwirtschaft. Das vorgestellte Modell ist generisch konzipiert, sodass es in beliebigen Branchen angewendet werden kann. Für eine unternehmensspezifische Umsetzung können individuelle Methoden und IT-Systeme, wie unter anderem PLM-Systeme, zur Unterstützung bei der Erstellung der identifizierten Artefakte eingesetzt werden.
Dieser Beitrag entstand im Rahmen des Projekts „Decide4ECO“, das von dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz unter dem Kennzeichen 13MX002G gefördert wird. Darüber hinaus danken wir den Projektpartner des Projekts „Klug“ für den wertvollen Austausch.
Das hier ausgeführte Modell zur Strategischen Produktplanung dient zugleich als Input für die Diskussionen im VDI/VDE Fachausschuss 3.12 „Strategische Planung und Entwicklung hybrider Leistungsbündel“ zur Beschreibung eines SPP-Modells für Produkt-Service-Systeme.
Literatur
[1] Brankamp, K.: Planung und Entwicklung neuer Produkte. De Gruyter 1971.[2] Eversheim, W.: Innovationsmanagement Für Technische Produkte. Systematische und Integrierte Produktentwicklung und Produktionsplanung. VDI-Buch Series. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin / Heidelberg 2003.
[3] Brockhoff, K.: Forschung und Entwicklung. Planung und Kontrolle. München, Wien, Berlin: Oldenbourg; De Gruyter 1999.
[4] Schuh, G.: Innovationsmanagement. Handbuch Produktion und Management 3, Bd. 3. Berlin: Springer Vieweg 2012.
[5] Cooper, R. G.: The performance impact of product innovation strategies. European Journal of Marketing (1984).
[6] VDI-Gesellschaft Konstruktion und Entwicklung: VDI 2220. Produktplanung Ablauf, Begriffe und Organisation (1980).
[7] Bender, B. u. Gericke, K. (Hrsg.): Pahl/Beitz Konstruktionslehre. Methoden und Anwendung erfolgreicher Produktentwicklung. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg 2021.
[8] Seidenschwarz, W.: Portfoliomanagement. In: Lindemann, U. (Hrsg.): Handbuch Produktentwicklung. Hanser. München: Hanser 2016, S. 37–58.
[9] Gräßler, I. u. Pottebaum, J.: Generic Product Lifecycle Model: A Holistic and Adaptable Approach for Multi-Disciplinary Product–Service Systems. Applied Sciences 11 (2021) 10, S. 4516.
[10] Verein Deutsch Ingenieure: VDI/VDE 2206. Entwicklung mechatronischer und cyber-physischer Systeme (2021).
[11] Gräßler, I., Thiele, H. u. Scholle, P.: Methode zur Einflussanalyse in der SzenarioTechnik auf Basis gerichteter Graphen. Proceedings of the 30th Symposium Design for X. 2019, S. 135–146.
[12] Corso, M., Martini, A., Paolucci, E. u. …: Knowledge management in product innovation: an interpretative review. International journal of management reviews (2001)
[13] Stark, R., Anderl, R., Thoben, K.-D. u. Wartzack, S.: WiGeP-Positionspapier. Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb (2020), S. 47–50.
[14] Eversheim, W. u. Schuh, G. (Hrsg.): Betriebshütte Produktion und Management. 1996
[15] Opitz, H., Grabwoski, H., Wiendahl, H.-P. u. Schütze, R.: Entwicklung einer Methode zur Informationsgewinnung und -verarbeitung für die Planung und Entwicklung neuer Industrieprodukte (1974).
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