ETH-Studierende beschleunigen Innovationen in der Industrie

F¨¹r Unternehmen sind Innovationen der entscheidende Faktor f¨¹r den langfristigen Markterfolg. Gleichzeitig bedingen sie aber grosse Investitionen und stellen ein hohes Risiko dar. ?Ein Innovationsprojekt kostet schnell mal zwei Millionen Franken, und es vergehen gut und gerne zwei Jahre, bis wir wissen, ob sich die neue Idee in ein marktreifes Produkt umsetzen l?sst, das seine Kunden findet?, sagt Ian Roberts, der Chief Technology Officer der B¨¹hler Group. Der Schweizer Technologiekonzern ist ein weltweit f¨¹hrender Hersteller von Maschinen f¨¹r die Lebensmittelindustrie und weiterer Industriezweige.

Risiken von Innovationsentscheiden mindern

Wie sich Entwicklungs- und Innovationsprozesse beschleunigen und die Risiken minimieren lassen, um diese Fragen dreht sich die Forschung von Mirko Meboldt, Professor f¨¹r Produktentwicklung und Konstruktion an der ETH Z¨¹rich. An der Hochschule betreibt er das Feasibility Lab, das Firmen dabei unterst¨¹tzt, ihre Innovationsideen zu testen.

In diesem Reallabor entwickeln Studierende und Postdocs gemeinsam mit den Auftraggebern m?glichst einfache Prototypen, die zentrale Funktionen von Industrieprozessen abbilden, die ver?ndert werden sollen. Beim Bau ihrer ?Critical Function Prototypes?, wird alles weglassen, was f¨¹r die ?berpr¨¹fung einer bestimmten Hypothese bzw. Innovationsidee nicht notwendig ist. Als ?Lean-De-Risking? bezeichnet das Feasibility Lab die verfolgte Strategie.

Das Feasibility Lab und die B¨¹hler Gruppe sind im letzten Jahr eine Kooperation eingegangen, das BEXL ¨C B¨¹hler Exploration Lab, um das Lean De-Risking im internen Innovationsprozess des Industriekonzerns zu testen. Unter der Leitung von drei erfahrenen Projektleitern des ETH-Labors wirkt zurzeit ein Team von acht Studierenden im CUBIC, dem Innovationscampus von B¨¹hler in Uzwil. Ende 2023 haben sie dem B¨¹hler Management erste Resultate pr?sentiert.

Verr¨¹ckte Ideen in Prototypen ¨¹berf¨¹hren

Lassen sich Produkte, die aus dem Extruder kommen, beispielsweise Tierfutter oder Cerealien, statt mit heisser Luft auch mit Heissdampf trocknen? Diese Methode hat von der Physik her das Potenzial, energieeffizienter zu sein. Um zu entscheiden, ob sich dieses theoretische Konzept in einem Produkt nutzen l?sst, entwickelten die ETH-Studierenden eine modulare Versuchsanlage, auf der verschiedene Teilsysteme schnell getestet werden k?nnen.

Den 160 Grad heissen Dampf erzeugen sie mit einem Tauchsieder, den sie an einen Ofen anschlossen. Entscheidend ist, dass das Transportband das Material so in den Ofen bringen kann, dass kein Dampf entweicht. Das ist zentral, weil das Entweichen von Dampf die Energiesparnisse zunichtemachen w¨¹rde. Zwei Wochen haben die Studierenden gebraucht, bis sie nachweisen konnten, dass die Methode tats?chlich funktioniert. Und das auch noch g¨¹nstig: Den Ofen haben sie f¨¹r 70 Franken auf einer Occasionsplattform erstanden.

Anwendung in der Praxis entscheidend

?Das ist ein typisches Beispiel daf¨¹r, wie unsere Studierenden verr¨¹ckte Ideen in Prototypen ¨¹berf¨¹hren, die sich auf den kritischen Erkenntnisgewinn fokussieren?, sagt Kai von Petersdorff-Campen, einer der drei Projektleiter aus dem Feasibility Lab. ?Die Messungen der Versuche bilden die Grundlage, um den Prototyp in einzelnen Sprints weiter in Richtung Produkt zu entwickeln?, erkl?rt er.

Mirko Meboldt zeigt sich erfreut, dass die Methoden aus dem Lab auch in der Praxis vor Ort funktionieren: ?F¨¹r uns ist es unerl?sslich, an realen Projekten arbeiten zu k?nnen, um zu zeigen, dass die neuen Methoden eine Wirkung erzielen.? Gleichzeitig sei f¨¹r eine erfolgreiche Implementierung der Methoden entscheidend, dass sich die Forschenden in der Industrie umfassend mit ihnen besch?ftigten. Das geschehe am effektivsten, wenn sie an realen Projekten mitarbeiteten.

Neugier und Fragen als Treiber

So erhalten die Studierenden die Fragestellungen in Uzwil nicht von den Projektleitern oder vom Professor. Es sind die 24 Business Units von B¨¹hler, die mit ihren Projekten und Innovationsideen auf sie zukommen. Bisher sind 60 Projekte zusammengekommen, einfachere und komplexere. Bei der Priorisierung sind die Studierenden sehr frei, ausschlaggebend ist die Neugier und die passende Expertise.

Beim Entwickeln ihrer L?sungen arbeiten die Studierenden eng mit den Ingenieur:innen von B¨¹hler zusammen. Zun?chst l?chern sie diese so lange mit Fragen, bis alle Beteiligten das gleiche Verst?ndnis der Fragestellung haben, die hinter der urspr¨¹nglichen Innovationsidee steckt. Je nach Komplexit?t durchl?uft die Idee verschieden lange Formate, vom einst¨¹ndigen Workshop bis zum Wochenprojekt.

Kritische Faktoren erkennen

Eine der ersten Business Unit, die auf die Studierenden zukam, war jene f¨¹r Getreide und H¨¹lsenfr¨¹chte. Das Anliegen: Die Entwicklung eines Ger?ts, mit dem M¨¹llereibetriebe bei der Lieferung von Hafer die Qualit?t feststellen k?nnen, um den entsprechenden Preis festzulegen.

F¨¹r die Studierenden stellte sich zun?chst die Frage, was so ein Testger?t messen m¨¹sste. Neben dem Verh?ltnis von Korn und Spreu entscheidet beim Hafer die Sch?lbarkeit der K?rner ¨¹ber die Qualit?t, denn sie bestimmt die Effizienz im Verarbeitungsprozess. Es ging also darum, die wesentlichen Funktionen, welche den Verarbeitungsprozesses auf den grossen Maschinen bestimmen, auf ein kleines Testger?t zu ¨¹bertragen.

?Als kritische Funktion identifizierten wir die Beschleunigung des Kornes?, erkl?rten von Hopffgarten und Verzaroli bei der Pr?sentation des ersten Prototyps, den sie aus Karton gefertigt und mit Luftdruck angetrieben hatten. Nach erfolgreichen Tests bauten sie einen zweiten Prototyp, um den Sch?lprozess abzubilden. Daf¨¹r verwendeten sie Material aus dem Heimwerkergesch?ft. Schliesslich folgte ein dritter, aufwendigerer Prototyp, dessen Sch?lresultate sich mit jenen der Industriemaschinen vergleichen lassen.

Lean De-Risking bew?hrt sich

?Das schrittweise Vorgehen zeigt exemplarisch, was wir mit Lean De-Risking meinen?, sagt von Petershoff-Campen. Der Aufwand f¨¹r einen Test soll in einem gesunden Verh?ltnis stehen zum aktuellen Wissensstand. ?Wir nennen das Smart Zone?, sagt der Forscher.

F¨¹r den ersten Prototyp wendeten die Studierenden gerade mal 18 Arbeitsstunden auf, und sie arbeiteten mit Pappe. Der zweite Prototyp war nach 40 Arbeitsstunden fertig, und erst dann nahmen sie den dritten in Angriff, in den sie rund 400 Arbeitsstunden investierten. Mit jeder Iteration wurden Unsicherheiten abgebaut, was wiederum eine etwas gr?ssere Investition in den n?chsten Prototypen rechtfertigte.

?Ich bin begeistert, wie sich die ETH-Studierenden hier bei B¨¹hler eingelebt haben, und ich bin tief beeindruckt, wie rasch sie mit den Prototypen grundlegende Fragen beantworten k?nnen?, lobt Ian Roberts die Arbeit. ?Mit unseren etablierten Entwicklungsmethoden h?tte ein Projekt wie der Hafersch?ler bestimmt zwei Jahre statt zwei Monate gedauert, und es h?tte ein Vielfaches an finanziellen Mitteln verschlungen?, erkl?rt er. Aufgrund der Testergebnisse mit dem Prototyp entwickle nun die Business Unit ein Produkt, das im Fr¨¹hling ersten Kunden vorgestellt werden soll.

Zusammenarbeit f¨¹r andere Firmen ?ffnen

Der CTO von B¨¹hler ist ¨¹berzeugt, dass auch kleinere Firmen der Schweizer Maschinenindustrie von einer solchen Zusammenarbeit profitieren k?nnten. ?Wir pr¨¹fen zurzeit die Idee, unseren CUBIC beispielsweise f¨¹r Swissmem-Partnerfirmen zu ?ffnen, um ihnen eine Kooperation mit der ETH hier in Uzwil zu erm?glichen?, sagt er.

Auch seitens ETH ist man offen f¨¹r eine Ausweitung der Kooperation. ?Wir sind ?usserst zufrieden, dass sich unser Ansatz auch in der Praxis bew?hrte und wir damit Schweizer Industriebetriebe unterst¨¹tzen k?nnen?, sagt Meboldt. Gleichzeitig seien die Studierenden begeistert und h?tten enorm profitiert von diesem Einblick in die Praxis.