Eine funktionsbasierte Analyse der Technologierelevanz von Nanotechnologie in der Produktplanung

Abstract

Die Nanotechnologie bietet ein großes Innovationspotenzial durch die Schaffung neuer Funktionalitäten von Materialien und Strukturen durch deren gezielte und spezifische Gestaltung im nm-Bereich. Aufgrund der Universalität und Kombinationsmöglichkeit der funktionalen Nanomaterialien eröffnen sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. In der Praxis kann jedoch eine Lücke zwischen Nanotechnologie und den möglichen Anwendung identifiziert werden. Nanotechnologische Lösungsansätze sind auf Anwendungsseite nahezu unbekannt. Unternehmen müssen deshalb systematisch an die Nanotechnologie herangeführt werden. Bereits bei der Ideenfindung in der Produktplanung müssen Lösungsansätze der Nanotechnologie berücksichtigt und deren Innovationspotenzial bewertet werden. Allerdings sind in diesen frühen Phasen der Ideenfindung die Produktplanungs- und Technologiesicht noch nicht gekoppelt, um neueste technologische Lösungsansätze in die Produktfindung einfließen lassen zu können. Beide Domänen müssen hierfür zusammengeführt werden. Mit dem entwickelten Ansatz wird ein Verfahren vorgestellt, das Unternehmen bei der funktionsbasierten Analyse der Relevanz der Nanotechnologie im Rahmen der Produktfindung in der Produktplanung unterstützt. Der Schwerpunkt in der Nanotechnologie wird auf Nanomaterialien und funktionalisierte Oberflächen gelegt. Es werden relevante unternehmens-spezifische Anwendungsfelder in Produkten identifiziert und ausgewählt sowie korrespondierende Lösungsansätze der Nanotechnologie analysiert und bewertet. Das Verfahren baut auf einer Terminologie, basierend auf den Ansätzen der Konstruktion auf, um den Zugang zur Nanotechnologie zu operationalisieren. Methodische Ansätze wie De-komposition, House of Technology oder Portfolioanalyse werden angepasst. Im Zentrum des Verfahrens steht die Funktion als Abstraktion zwischen Nutzeranforderungen und den Lösungspotenzialen der Nanotechnologie sowie als Relevanzkriterium. Wirkprinzipen der Nanotechnologie liegen der Identifikation von Problemideen als Bedarf für den Einsatz der Nanotechnologie zugrunde. Die Relevanz wird in Bezug auf Nutzen und Lösungserfüllung qualitativ bewertet und es werden Maßnahmen abgeleitet. Das Unternehmen erhält so Ansatzpunkte für Innovationen durch die Nanotechnologie. Das Ziel ist es, u.a. den Mehrwert zu erhöhen, die Nutzerfreundlichkeit zu verbessern, die Ressourceneffizienz zu optimieren oder einen Wettbewerbsvorteil zu erzielen, indem ein neues Lösungsprinzip angewandt wird. Die Umsetzung des Verfahrens und seine Eignung wird am Beispiel von zwei Unternehmen der Investitions- und Gebrauchsgüterindustrie gezeigt. Es handelt sich um einen Hersteller von Füll- und Verpackungsmaschinen und einen Hersteller von Sanitärarmaturen. Aus einer Vielzahl an Kombinationen von anwendungsseitigen Problemen und nanotechnologischen Lösungskonzepten wurden dort sukzessiv relevante Anwendungen ausgewählt und somit Produktideen eingegrenzt. Deren Innovationspotenzial wurde hinsichtlich der Nutzenerfüllung und dem Lösungsbeitrag bewertet und Maßnahmen für die Umsetzung oder die weitere Verfolgung der Produktideen definiert. Einfache Analyse- und Bewertungsme-thoden sorgten für ein transparentes Vorgehen und die Anpassbarkeit des Methodeneinsatzes. Für die Recherche von Lösungsansätzen der Nanotechnologie wurde implizites Fachwissen genutzt.

The objective of this thesis is to develop a functional-based approach for a relevance analysis of nanotechnology in the product planning process. This objective comprises four goals: 1. the relevance of nanotechnology for products shall be analysed and assessed by linking product-related problems (so called “problem ideas”) with solution approaches of nanotechnology (“solution idea”). Thereby, new product ideas based on nanotechnology and thus new innovation potential ideas shall be identified. 2. Therefore, a formalised description of nanotechnology as an operable access is to be set up as a based on functions of nanotechnology. 3. A set of analysis and assessment methods is to be developed with a special focus on the integration of implicit knowledge. 4. The approach for product design with nanotechnology shall be integrated in the product planning process as published in VDI 2220 as part of the corporate innovation process. The possibility of nanotechnology by creating new functionalities of materials and structures through targeted and specific design in the nanometre range offers a great innovation potential. The universality and possible combinations of functional nanomaterials opens up various applications for nearly every industry. Improved product properties, a better cost-performance ratio, higher quality or novel functions for products provide an increased customer benefit. However, a significant gap can be seen between the technological ‘bank’ of nanotechnologies and (pro-spective) application ’banks’ in practice. Solution approaches by nanotechnology are still almost unknown on the application side. Due to the dynamic technology development, nanotechnology is not yet a differentiated technology field with established application areas and structured access. Therefore, enterprises have to be systematically introduced to nanotechnology. Solution approaches by nanotechnology have to be taken into account already during the ideas generation phase in the product planning process and have to be assessed with respect to their innovation potential. However, in the early phase of idea generation, product planning view and technology view are not yet linked in order to consider novel solution approaches in the product design process. Therefore, both domains have to be brought together. In this context, suitable methods to identify problems, to analyse new technologies and to integrate specific knowledge are lacking. Ex-isting approaches show a poor suitability in practical applications and complex and unspecific methodological procedures. With the developed approach, a procedure is presented which can support enterprises in analysing the functional-based relevance of nanotechnology focused on nanomaterials and their properties. The procedure is positioned in product design within the product planning process. Relevant enterprise-specific applications fields in products (“problem ideas”) are identified and selected as well as correspondent solution approaches (“solution ideas”) by nanotechnology are analysed and assessed. The procedure is built on a successive, systematic discursive approach. Nanotechnology experts are involved in the analysing and assessing process as a source of implicit knowledge. A terminology based on approaches from design is developed in order to operationalise the access to nanotechnology. At the same time, an understanding about the impact manner and the recognisable connections of nanotechnology is built up. Methodical approaches like decomposition, House of Technology or portfolio analysis are adjusted. The focal point of the approach is the function as an abstraction of consumer requirements and potential solutions by nanotechnology as well as relevance criteria: so called purpose functions and system functions are combined as means-purpose-combinations. Thus, new product ideas can be obtained and assessed. Working principles of nanotechnology provide the basis to identify problem ideas as a demand for application of nanotechnology. Problem ideas represent problems, required optimisations of product specifications or the substitution of a product function. In a first assessment step, basic solution concepts represented by a system function and a nanomaterial, e.g. photocatalytic by TiO2 nanoparticles, are searched and compared to problem ideas. The relevance is assessed based on a qualitative consideration regarding benefit (attractiveness for customers, level of innovation, market size or volume of the new product, portability of the problem to other products/ product groups/ components and consistency with strategic measures) and fulfillment of the solution. In a second assessment step, relevant solution concepts are detailed as solution ideas, e.g. regarding the corresponding substrate, technical specifications or manufacturing technology. Problem and solution idea constitute an innovation potential, e.g. the prevention of bacteria growth by photocatalytic TiO2. Thus the developed approach focuses not only on the analysis of nanotechnology. Preceding the search for solutions, the approach contributes to the identification of specific problems as possible applications for which nanotechnology offers a principle solution. Using the proposed procedure, enterprises can obtain a starting point for innovations by nanotechnology, which can be induced by completely new means or can be radical innovations. The objective is amongst others to increase added value, optimise user-friendliness, enhance resource efficiency or realise a competitive advantage by offering a new solution principle or state of the art. The relevance analysis was applied with two producing companies, one from the capital-intensive goods and the other one from consumer goods industry. The practical application showed that the approach is well suited to identify novel and very specific applications for nanotechnology in the company’s product range. Both companies received an application-specific access to nanotechnology with less expense. Nanomaterials and nanostructures with their functionality were compared to the functional requirement of potential applications. Relevant applications were chosen from a multitude of combinations of applications-sited problem ideas and nanotechnological solution concepts and thus the product ideas narrowed as problem and solution ideas. Their innovation potentials were assessed regarding the fulfilment of the benefit and the contribution of the solution. Measures were derived and defined for further monitoring or implementation. Simple methods for analysing and assessing the potential provided a transparent procedure and adaptability of the applied methods. Implicit expert knowledge was involved to search for solution concepts.