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Doctor's Theses (authored and supervised):

H. Ostad Ahmad Ghorabi:
"Parametric Ecodesign - Development of a Framework for the Integration of Life Cycle Assessment into Computer Aided Design";
Supervisor, Reviewer: W. Wimmer, A. Windsperger; Institut für Konstruktionswissenschaften und technische Logistik, 2010; oral examination: 2010-05-11.



English abstract:
Environmental considerations have become a strategic priority for many companies during the past decade, and the development of new products has had to respond to this trend. Although many methods have been developed for this purpose, much of this effort has found barriers that arise from the nature of the product development process. Life Cycle Assessment (LCA) is the most popular method to evaluate environmental impacts in general, and has been taken as the reference for assessing products. It is considered as the most important tool to integrate environmental considerations into product development. Nevertheless, it has some characteristics that make it difficult to integrate it into the early stages of product development: it is generally a complex time-consuming process, and its results are only practically valid when they are used in relative terms.

Environmental assessment is done by using LCA software; engineering design is done in computer aided design (CAD) systems. Both worlds have strong relations - especially when Ecodesign is to be implemented - but they are not necessarily connected. This thesis wants to link both worlds. A framework to integrate LCA into CAD software is developed; this integration seems plausible and advisable, as has been pointed out in previous literature, although it is not immediate due to the previously exposed problems. The framework developed through this thesis attempts to ease the environmental evaluation of products by providing a parametric model for them. The example of cranes is analyzed in detail after conducting a full LCA for the PK9501, a middle size crane manufactured by Palfinger Crane. A parametric model for the cranes is then established. An environmental evaluation tool is developed containing the parametric model of the crane as its core. The tool delivers an environmental profile of the assembled crane and its parts and compares LCA results with other cranes. It was developed to be used in the design department of Palfinger Crane.

Further researches in this thesis focus on the translation of LCA results into a judgement of how well or poorly the environmental performance of the product is doing in comparison to similar competing products. The concept of LCP-families is introduced from which reference ranges can be derived. One of the critical constraints is the need to develop a systematic procedure for comparison. An environmental expert will probably be able to perform this sort of comparison in a qualitative manner. Engineering designers, however, will need much more effort to take decisions based on such patterns. The concept of LCP-families is a general concept which applies to any product.

The next consequent research step was to develop a concept which assures the correct forming of LCP-families. Based on ISO 14040, LCA results of those products can be compared which have the same functional unit. Its formulation might constitute a source of difficulty for practitioners. On top phrasing of the functional unit for the same product might be disperse and therefore provide no uniformity. To overcome these obstacles, a parametric description of the functional unit is aimed by introducing the concept of functional icon, in short fuon. A fuon provides limited sets of parameters. It will be shown in this thesis that a proper use of fuons can assure a uniform and comprehensive phrasing of the functional unit.

Once results have been gathered, thoughts were given to how they can be visualized and com-municated to the engineering designer. Visualization based on a colour scheme in CAD as well as the use of Ecodesign Decision Boxes, developed in the master thesis of the author, are applied therefore. The introduced concepts are tested through workshops as well as applied to the product examples of office chairs and cranes. A system architecture for the implementation of the research fundaments into CAD is given in the last chapter of the thesis.

German abstract:
Die Berücksichtigung von Umweltaspekten rückte im Laufe des vergangenen Jahrzehntes zunehmend in den Mittelpunkt der Produktentwicklung. Um nachhaltige Produktentwicklung zu ermöglichen, sind zahlreiche Ansätze und Methoden entwickelt worden, deren effiziente Umsetzung in der Produktentwicklung aber nach wie vor Schwierigkeiten bereitet. Die Ökobilanz ist ein häufig eingesetztes Instrument, um Umweltauswirkungen von Produkten zu erfassen. Detaillierten Analysen der Lebenszyklen werden ermöglicht. Jedoch birgt die Ökobilanz auch einige Nachteile, die ihren Einsatz in den frühen Phasen der Produktentwicklung erheblich erschweren: die Durchführung einer Ökobilanz ist ein zeit- und ressourcenaufwändiges Unterfangen und Ergebnisse der Bilanz gewinnen an Interpretationskraft, wenn sie in einen relativen Zusammenhang gebracht werden.

Ökobilanzen werden in dafür eigens entwickelten Softwareapplikationen durchgeführt. Die Konstruktion von Produkten in den frühen Phasen der Produktentwicklung erfolgt in CAD Systemen. Diese zwei Felder sind miteinander nicht verknüpft. Beide Felder böten aber wichtige Informationen für die Umsetzung von Ecodesign. Ziel der Dissertation ist, ein Konzept für die Verknüpfung dieser beiden Bereiche aufzustellen. Das Motto lautet, nachhaltige Produktentwicklung, angefangen von der Umweltbewertung bis hin zur Auswahl von Verbesserungsstrategien, den Abläufen der Konstruktion anzupassen und nicht umgekehrt. Zunächst wird der Frage nachgegangen, wie eine richtungssichere Umweltbewertung in den frühen Phasen der Produktentwicklung ermöglicht werden kann. Am Beispiel eines Knickarmkrans der Firma Palfinger wird ein parametrisches Produktmodell erstellt. Mit der Quantifizierung weniger Parameter kann ein Umweltprofil des Krans samt seiner Komponenten erstellt werden. Das parametrische Modell wird als Basis für die Entwicklung eines Umweltbewertungstools für den Kran herangezogen. Dieses Tool wurde speziell so konzipiert, um in der Konstruktionsabteilung der Firma Palfinger zur Anwendung zu gelangen.

Um bewerten zu können, ob das Umweltprofil des Produktes besser oder schlechter als ähnliche am Markt befindliche Produkte ist, wird das Konzept der LCP-Familien vorgestellt. LCP-Familien werden, bei Erfüllung der Voraussetzungen, aus Produkten ähnlich jenem in der Entwicklung befindlichen, gebildet. Sie bilden die Grundlage für die Erstellung eines Referenzbereiches mit dem das in der Entwicklung befindliche Produkt hinsichtlich seiner Umweltperformance verglichen werden kann.

Der nächste konsequente Schritt ist die Entwicklung eines Konzeptes, das die korrekte Aufstellung der LCP-Familie erlaubt. Laut ISO 14040 dürfen Umweltbewertungen jener Produkte miteinander verglichen werden, die die gleiche funktionelle Einheit besitzen. Deren richtige Formulierung braucht Erfahrung und gestaltet sich oft als schwierig. Zudem existiert kein Standard, wie eine funktionelle Einheit eindeutig formuliert werden soll. Da jedoch die funktionelle Einheit für die Erstellung der LCA-Familie von großer Wichtigkeit ist, wird im Rahmen der Dissertation eine parametrische Formulierung der funktionellen Einheit vorgestellt. Eine überschaubare Anzahl an Sets von Parametern, genannt Fuons, sollte genügen, um funktionelle Einheiten vieler, wenn nicht aller, Produkte zu formulieren. Drei solcher Sets werden im Rahmen dieser Dissertation erarbeitet.

Ein weiterer wesentlicher Punkt ist die Darstellung und Kommunikation der Ergebnisse mit den KonstrukteurInnen. Ecodesign Decision Boxes, in der Diplomarbeit des Autors entwickelt, wie auch eine Farbgebung in CAD Programmen, ähnlich wie bei Finite Elemente Methoden, wurden untersucht. Die Konzepte wurden im Rahmen von Workshops getestet sowie im Detail an zwei Beispielen, jene der Bürostühle und der Knickarmkrane, angewendet.

Keywords:
Ecodesign, Life Cycle Assessment, Product Development, Engineering Design, LCP-family, CAD

Created from the Publication Database of the Vienna University of Technology.