TRIZ-basierte Technologiefrüherkennung Ein guter Technologiemanager wird nicht von neuen Technologien überrascht! Dipl.-Ing. Markus Grawatsch Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT Berlin, 4. November 2005 Notizen:

Was ist Technologiefrüherkennung? Gegenstand der Technologiefrüherkennung ist die frühzeitige Potenzialbestimmung neuer Technologien sowie das Erkennen der Grenzen herkömmlicher technologischer Problemlösungen. [Quelle: Eversheim; Schuh: „Betriebshütte“] Technologische Leistungsfähigkeit Potenzial Tn (PTn) Potenzial Tn+1 Technologie n Technologie n+1 Ist-Leistung Tn Zeit Ist-Leistung Tn+1 Leistungsgrenze Tn+1 Leistungsgrenze Tn Das Technologiepotenzial stellt die zukünftige Erfolgsaussicht einer Technologie dar. Determinanten des Technologiepotenzials sind insbesondere - die Weiterentwickelbarkeit der Technologie, - der Zeitbedarf bis zur nächsten Entwicklungsstufe, - der Anwendungsumfang sowie - der Diffusionsverlauf der Technologie. [Quelle: Gebler Lexikon Technologiemanagement]

Wie funktioniert Technologiefrüherkennung? Finden Filter Formatieren Fokussieren Informationsbedarf bestimmen Informationen recherchieren Informationen bewerten Informationen kommunizieren Technologiepotenziale Wie kann das Technologiepotenzial abgeschätzt werden, um daraus Chancen und Risiken für ein Unternehmen abzuleiten? Alternativtechnologien finden Entwicklungen antizipieren Entwicklungsgrenzen bestimmen Informationen systematisch auswerten TRENDS & DISKONTINUITÄTEN identifizieren und prognostizieren TECHNOLOGIEPLANUNG auf Informationen reagieren und sie nutzen Chancen & Risiken Quellen: Klopp; Hartmann: “Das Fledermaus-Prinzip” Lang; Tschirky: “Technology Intelligence”

Projektbeispiel 2: Innovative Lösungskonzepte für Haushaltsgeräte (Haushaltsgeräte-Industrie, 2004) Zielsetzung Identifikation alternativer, innovativer Lösungen für eine spezielle Einheit in Haushaltsgeräten Vorgehensweise Einführung in die TRIZ-Methodik, Definition der Anforderungen und detaillierte Problemanalyse Methodisches Generieren und Klassifizieren von Lösungsideen (Teillösungen) Systematisches Ableiten von Gesamtkonzepten Bewertung und Auswahl der Gesamtkonzepte Ergebnisse 81 Einzelideen, 10 Ideencluster, 7 Gesamtkonzepte Ausgearbeitete Gesamtkonzepte mit Einordnung der Markteintrittszeitpunkte in eine Roadmap Dokumentation aller entwickelten Ideen 10 x Anzahl Nutzungszyklen ohne Bedienereingriff 30 x

TRIZ-Erfahrung bei der systematischen Produktentwicklung Wie kann das Technologiepotenzial abgeschätzt werden, um daraus Chancen und Risiken für ein Unternehmen abzuleiten? Alternativtechnologien finden Entwicklungen antizipieren Entwicklungsgrenzen bestimmen Informationen systematisch auswerten Zielführende Lösungsansätze durch systematisches Vorgehen Innovative Lösungsansätze durch Identifizierung und Auflösung der Widersprüche Zukunftsweisende Lösungsansätze durch Aufbrechen psychologischer Barrieren Erfolg versprechende Lösungsansätze durch Nutzung von Wissen aus anderen Bereichen

Entwicklungsgeschichte der TRIZ*-Methodik Analyse von westlichen Patenten seit Beginn des 2. Weltkrieges im Dienste der sowjetischen Marine Suche nach zugrunde liegender, allgemeingültiger Systematik zur Lösung technischer Probleme Verurteilung zur Zwangsarbeit im GULAG wegen „landesschädigender Erfindungstätigkeit” bis zu Stalins Tod 1953 Entwicklung von Problemlösungstechniken und ARIZ 1956 erste wissenschaftliche Veröffentlichungen Seit der Öffnung des Ostblocks verbreiten ehemalige Mitarbeiter die Methode zunächst in den USA TRIZ-Methodik ist heute ein weltweit verbreitetes Instrument zum innovativen Problemlösen *) TRIZ ist das russische Akronym für „Die Theorie des erfinderischen Problemlösens“ Genrik S. Altshuller (geb. 1920, gest. 1998) Begründer der TRIZ-Methodik "Creativity is not a born gift. Every engineer can learn to be inventive.” Genrik Altshuller

Grundlagen der TRIZ-Methodik Die systematische Analyse eines Problems führt häufig schon zu Problemlösungen. Der Widerspruch ist zentrales, die Innovation provozierendes Element technischer Probleme. Viele Probleme wurden bereits in anderen Gebieten gelöst. Die Weiterentwicklung technischer Systeme zum idealen Produkt folgt bestimmten (Evolutions-) Gesetzen. konkretes Problem innovative Lösung Standard Lösung Standard Problem TRIZ-Werkzeug Abstraktion Anwendung

Standard Innovations-prinzip Beispiel: Problemstellung Standard Innovations-prinzip Konkrete Lösung Konkretes Problem Abstrahierte Problem- stellung Ziel: Gesteigerte Bohrgeschwindigkeit Randbedingungen: - Gegebene, begrenzte Vorschubkraft - Kostengünstige Bohrspitze (kaltgeformter Standard-Stahl) Erster Versuch: Erhöhung der Drehgeschwindigkeit Probleme: - Übermäßige Wärmeentstehung - Reibschweißung Bohr- werk- zeug Span Erläuterung Widerspruchsanalyse und 40 Prinzipien anhand Fallbeispiel: Problemstellung: Kosteneinsparungen in der Baubranche liegen in einer Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit. Ein Vorgang der viel Zeit in Anspruch nimmt und der noch starkes Einsparpotential bietet, ist das Bohren. Randbedingungen: Die Vorschubskraft, die der Bauarbeiter aufbringen kann, ist begrenzt. Aus Kostengründen kommt nur kaltgeformter Standardstahl als Material für das Bohrwerkzeug in Frage. Ein erster Lösungsversuch ist, die Drehgeschwindigkeit zu erhöhen. Dabei kommt es durch die übermäßige Wärmeentstehung zu Reibschweißung. Der zweite Lösungsversuch wird mit der TRIZ-Methode durchgeführt. Dabei wird das Problem zunächst abstrahiert und als Standardproblem definiert. Dann können bekannte Standardlösungen genutzt werden, um Denkanstöße für die Lösung des speziellen Problems zu finden. Grundmaterial Quelle: EJOT Holding GmbH & Co. KG

Standard-Innovations- prinzip Beispiel: TRIZ-Werkzeug Widerspruchsmatrix Konkrete Lösung Konkretes Problem Abstrahierte Problem- stellung Standard-Innovations- prinzip Auszug aus der „Widerspruchsmatrix”: Negativ beeinflusster Faktor Haltbarkeit eines bewegten Objektes festen Objektes Temperatur Helligkeit Volumen eines bewegten Objekts 35, 34, 38 35, 6, 4 Geschwindigkeit 3, 19, 35, 5 28, 30, 36, 2 10, 13, 19 Kraft 19, 2 35, 10, 21 Spannung, Druck 19, 3, 27 35, 39, Optimierungs- faktor Vorschlag erfolgsversprechender Innovationsprinzipien (Bohr-) Geschwindigkeit soll erhöht werden. Temperatur darf sich nicht erhöhen. Legende Innovationsprinzipien: 28 Mechanik ersetzen 30 Flexible Hüllen und Filme 36 Phasenübergang 2 Abtrennung Beschreibung des Problems als Widerspruch: Das Problem wird durch standardisiertes Vokabular abstrakt beschrieben: Die Geschwindigkeit soll erhöht (optimiert) werden, aber die Temperatur (negativer Faktor) darf sich nicht erhöhen. In der Widerspruchsmatrix wird nach Standardlösungen gesucht. In diesem Fall werden die Innovationsprinzipien 28, 30, 36 und 2 vorgeschlagen. Dabei sind die Innovationsprinzipien, die am Anfang stehen, besonders erfolgversprechend. Sie wurden in den untersuchten Patenten besonders oft erfolgreich eingesetzt. Innovationsprinzipien: - 28 Mechanik ersetzen a. Ersetze ein mechanisches System durch ein optisches, akustisches oder geruchsbasierendes System. b. Benutze elektrische, magnetische oder elektromagnetische Felder. ... - 30 Flexible Hüllen und Filme a. Ersetze übliche Konstruktionen mit flexiblen Hüllen oder dünnen Filmen. b. Isoliere ein Objekt von der Umwelt durch einen dünnen Film oder eine Membran. - 36 Phasenübergang a. Nutze die Effekte während des Phasenüberganges einer Substanz aus: Volumenveränderung, Wärmeentwicklung oder absorption - 2 Abtrennung a. Entfernung oder Abtrennung des störenden Teiles eines Objektes. b. Den notwendigen Teil bzw. die wesentliche Eigenschaft alleine einsetzen oder herausnehmen.

Standard-Innovations prinzip Beispiel: Innovationsprinzip 36: Phasenübergang Konkrete Lösung Konkretes Problem Abstrahierte Problem- stellung Standard-Innovations prinzip Leitlinie des Innovationsprinzips 36 (Phasenübergang): Nutze die Effekte während des Phasenübergangs einer Substanz aus: - Volumenveränderung - Wärmeentwicklung - Wärmeabsorption Beispiele: Um gerippte Rohre gleichmäßig zu dehnen, werden sie mit Wasser gefüllt und gefroren. Latentwärmespeicher z.B. für Kühlwasser im Kraftfahrzeug In diesem Fall führt der dritte Vorschlag, das 36. Innovationsprinzip, zu einer innovativen Lösung. Es wird empfohlen, den Effekt während des Phasenübergangs einer Substanz auszunutzen. Ein Beispiel dafür ist die Volumenänderung des Wassers bei Temperaturveränderungen um den Gefrierpunkt. Ein anderes Beispiel ist die Wärmeabsorption beim Phasenübergang von flüssigem zu dampfförmigen Wasser.

Beispiel: Erfinderische Lösung - Paraffinbeschichtete Bohrschraube Abstrahierte Problem- stellung Standard-Innovations prinzip Verdampfendes Kühlmittel (Abtransport der Wärme) Schmierung durch Kühlmittel Schneidgeschwindigkeit wird erhöht Wärme wird durch verdampfendes Paraffin abgeführt Nebeneffekt: Verbesserte Schmierung durch Paraffin Innovationsprinzip 36: Phasenübergang Konkretes Problem Konkrete Lösung Paraffinbeschichtung Daraus entstand die Lösung festes Kühlmittel einzusetzen, dass bei hoher Temperatur verdampft und dabei besonders viel Wärme absorbiert. Diese Innovation wurde zum Patent angemeldet. Quelle: SFS Stadler Befestigungs- und Umformtechnik AG

Innovations- Checkliste Die 4 Säulen der TRIZ - Methodik TRIZ Widerspruch Konfliktanalyse Widerspruchs- analyse Stoff-Feld- Analyse Ziel 1 Ziel 2 Wissen Effekte- Datenbank Daten Systematik Innovations- Checkliste Funktions- Ressourcen- Checkliste Trimming Vision Idealität S-Kurve Evolutions- prinzipien TRIZ-Philosophien: Technische Evolution strebt Idealität an Innovative Ideen lösen Widersprüche auf Wissen aus anderen Bereichen nutzen Lösungen systematisch erarbeiten Können die Säulen der TRIZ-Methodik für die Technologiefrüherkennung genutzt werden?

TRIZ-Philosophie 1: Technische Evolution strebt Idealität an Idealitätsgrad = Schaden Nutzen Solarbetriebener, automatischer Rasenmäher Quelle: Husqvarna Das ideale Rasenmäherrad... Elektro-Luftkissenmäher Quelle: Flymo Erfahrungssatz: „Die Technische Evolution geht in Richtung Idealität.” Vision: „Ideales Produkt” Bringt den vollen Nutzen ohne unerwünschte Nebeneffekte und zusätzliche Kosten Benötigt keinen Raum, hat kein Gewicht, ohne Mehrarbeit oder Wartung Erfüllt die Funktion, ohne vorhanden zu sein Beispiel für das Evolutionsprinzip „Regelung, Selbstregelung und Automatisierung“: Beispiel besteigerter Idealitätsgrad: Inspiriert durch das Prinzip des Hovercraft, erfand der Schwede Karl Dahlman den fliegenden Rasenmäher. Dieser Rasenmäher besitzt keine Räder. Das Schneidwerkzeug besteht aus rotierenden Messern, die durch die hohen Geschwindigkeiten einen Auftrieb erzeugen, der diesen Rasenmäher in alle Richtungen bewegbar macht. Durch diesen Aufrieb können Hürden, kleine Stufen und andere Hindernisse leicht überwunden werden. Mit rotierenden Messern vorhandene Ressource genutzt Funktion, den Abstand zu halten und den Rasenmäher flexible zu bewegen, besser gelöst Zusätzliches Bauteil (Rad) überflüssig gemacht Regelungswirkung direkt auf Objekt Wirkung über Aktuator System mit Rückmeldung

TRIZ-Philosophie 2: Innovative Ideen lösen Widersprüche auf Grundsatz: „Reale technische Systeme haben konkurrierende Anforderungen, die zu Kompromisslösungen führen.” Ergebnis: Die „Invention” Nutzt ein neues Prinzip, um Konflikt aufzulösen Wird beiden Forderungen voll gerecht Macht eine der Forderungen unnötig Beispiel: Druckbehälter Forderung 1: Geringes Gewicht Forderung 2: Hohe Druckfestigkeit für hohe Luftmenge Kompromiss: Schwere Stahlbehälter mit mittlerem Druckniveau Neuer Ansatz: Nutzung von Faserverbundwerkstoffen Dünner Innenliner dichtet ab Kohlefasern halten den Druckkräften stand Halbiertes Gewicht bei erhöhtem Druckniveau Erläuterung am Beispiel Druckbehälter: Das Gewicht des Druckbehälters soll reduziert werden, damit sich die Benutzer leichter bewegen können. Kompromisslösungen führen zu einer Reduktion des Materials und somit zu einer Reduktion der Druckfestigkeit. Aus diesem Grund würde der maximal zulässige Druck reduziert (p*V=const.) und dem Benutzer ein geringerer Luftvorrat zur Verfügung. Eine am Fraunhofer IPT entwickelte Lösung ist der Einsatz von Faserverbundstoffen zur Halbierung des Gewichts bei erhöhter Druckfestigkeit.

TRIZ-Philosophie 3: Wissen aus anderen Bereichen nutzen Der Entwickler sucht in seinem Fachgebiet nach Lösungen. Die „Ideale Lösung” zeigt die Notwendigkeit neuer Denkrichtungen auf. Die TRIZ-Methodik ermöglicht über ihre Wissensbasis das Finden von Lösungskonzepten außerhalb der persön-lichen Fachkompetenz des Entwicklers. Mechanik Chemie Thermo- dynamik Problem* Konzept 1 Konzept 2 Konzept 3 Varianten Ideale Lösung Elektronik *) Problem: Verzehr von heißem Kaffee an jedem Ort und zu jeder Zeit Lösung: Erhitzen des Kaffees durch Ausnutzung einer chemischen Reaktion; im Behältnis integriert Erläuterung Graphik: Entwickler tendieren dazu die Lösung eines Problems in ihrem Fachbereich zu suchen (Beispiel Thermodynamik). Die ideale Lösung kann allerdings in einem ganz anderen Fachbereich liegen (Beispiel Chemie). Die TRIZ-Methodik lenkt die Lösungssuche in erfolgsversprechende Richtungen, die außerhalb des individuellen Fachbereichs des Entwicklers liegen können. Fachübergreifendes Wissen nutzen

TRIZ-Philosophie 4: Lösungen systematisch erarbeiten Problem analysieren Problem fokussieren Lösungswerkzeug auswählen Problem abstrahieren Lösung zielgerichtet erarbeiten Ohne explizite Methodenanwendung Anwendung klassischer Ideenfindungsmethoden Anwendung der TRIZ-Methodik Ideen überwiegend in Richtung des psychologischen „Trägheits- vektors“; wenig weiterführ- ende Ideen Ideen in alle Richtungen, viele weiterführende Ideen Zielgerichtete Ideen innerhalb eines engen Suchfeldes Beispiel: hoher Zeitaufwand geringe Qualität der Ergebnisse hoher Zeitaufwand innovativste Lösungen in kürzester Zeit hohe Qualität der Ergebnisse Pumpe verbesserte Qualität der Ergebnisse Erläuterung Graphik: Entwickler tendieren dazu die Lösung eines Problems in ihrem Fachbereich zu suchen (Beispiel Thermodynamik). Die ideale Lösung kann allerdings in einem ganz anderen Fachbereich liegen (Beispiel Chemie). Die TRIZ-Methodik lenkt die Lösungssuche in erfolgsversprechende Richtungen, die außerhalb des individuellen Fachbereichs des Entwicklers liegen können. Antrieb Verdichter- einheit psychologischer „Trägheitsvektor“ Steuerung Aufgabe Lösung ideales Endresultat

(Wie) kann TRIZ für die Technologiefrüherkennung genutzt werden? Widerspruch Konfliktanalyse Widerspruchs- analyse Stoff-Feld- Analyse Wissen Effekte- Datenbank Daten Systematik Innovations- Checkliste Funktions- Ressourcen- Checkliste Trimming Vision Idealität S-Kurve Evolutions- prinzipien Ziel 1 Ziel 2 Wie kann das Technologiepotenzial abgeschätzt werden, um daraus Chancen und Risiken für ein Unternehmen abzuleiten? Alternativtechnologien finden Entwicklungen antizipieren Entwicklungsgrenzen bestimmen Informationen systematisch auswerten Technologie- früherkennung

Systematische Analyse der Wettbewerbsarena Fokus auf Produkt- technologien Produktions- technologien Werkstoff- technologien Informations- technologien Technologie des Zulieferers Stärke des Zulieferers Stärke des Kunden Technologien des Kunden Eintrittsbarriere Kunde (Super-system) Zulieferer (Sub-system) Alternative Technologien Technologisches Wissen Rivalität unter Unternehmen Wertschöpfungskette Bedrohung durch Ersatz-produkte/ -dienste Neue Wettbe-werber Wettbe-werbs-situation der Branche (System) In Anlehnung an Porter’s Five Forces [Porter: Wettbewerbsstrategie]

Alternativtechnologien finden Daten Beispiel: Bildschirm Aufstellen der Super- und Subsysteme entlang der Wertschöpfungskette (Zulieferer und Kunde) Alternative Systeme über Hauptfunktion identifizieren (Wettbewerbsprodukte) Super²-System (Anwendung) Fernseher Mobiles Telefon Autocockpit Super-System (Bildschirm) Funktion: Veränderliches Bild anzeigen Variante I Variante II Braunsche Röhre zzgl. Steuerung TFT/LCD Bildschirm zzgl. Steuerung Plasma Bildschirm zzgl. Steuerung System (Anzeige) Funktion: Elektrisches Signal in optisches wandeln Auftreffender Elektronenstrahl erzeugt optisches Signal Polaroidgläser und Flüssigkristall verändert optisches Signal Plasma- Entladung erzeugt optisches Signal Sub-System (Komponente) Träger (Glas, Kunststoff) Flüssigkristall Dünnfilm Transistor

Entwicklungsgrenzen bestimmen Ziel 1 Ziel 2 Beispiel: Bildschirm Potenzielle Kunden wünschen großen und flachen Bildschirm Mit der Braunschen Röhre kann der Widerspruch große Fläche geringe Tiefe nicht überwunden werden. Technologische Leistungsfähigkeit =  (Fläche; Tiefe) Leistungsgrenze Tn+1 Leistungsgrenze Tn Ist-Leistung Tn Potenzial Tn (PTn) Potenzial Tn+1 Ist-Leistung Tn+1 Technologie n+1 Technologie n Zeit

Entwicklungen antizipieren Beispiel: Bildschirm Ableitung von Entwicklungsrichtungen der Super- und Subsysteme Analyse des Entwicklungspotenzials von Systemen Ideenfindung zur Ableitung von Entwicklungs-möglichkeiten für Systeme Starres System Einfaches Gelenk Mehrfache Gelenke Vollständig elastisch Liquid, Aerosol Feld Zunehmende Dynamisierung und Einsatz von Feldern F Entwicklungsmöglichkeiten Starrer Computer Flexibler Computer (Blatt Papier) Virtueller Computer Starrer Bildschirm Flexibler/ elastischer Bildschirm Projektion auf bspw. Wind- schutzscheibe, Brille, Retina Die „Lebenslinie“ technischer Systeme Gesetz der Vollständigkeit der Teile eines Systems Gesetz der „energetischen Leitfähigkeit eines Systems“ Gesetz der Abstimmung der Rhythmik der Teile eines Systems Gesetz der Erhöhung des Grades der Idealität eines Systems Gesetz der Ungleichmäßigkeit der Entwicklung der Teile eines Systems Gesetz des Übergangs in ein Obersystem Gesetz des Übergangs von der Makroebene zur Mikroebene Gesetz der Erhöhung des Anteils von Stoff-Feld-Systemen

Informationen systematisch auswerten Das Technologie-potenzial kann nur relativ bewertet werden. Das Technologie-potenzial ist durch die aktuelle und zukünftige technologische Leistungsfähigkeit definiert. Parameter der technologischen Leistungsfähigkeit garantieren eine möglichst hohen Anwendungsumfang. Technologische Leistungsfähigkeit: Technologische Leistungsfähigkeit Potenzial Tn (PTn) Potenzial Tn+1 Technologie n Technologie n+1 Ist-Leistung Tn Zeit Ist-Leistung Tn+1 Leistungsgrenze Tn+1 Leistungsgrenze Tn Legende: wk: Wichtigkeit der Funktionen für den Erfolg einer Technologie pk+: Beschreibung einer nützlichen Funktion durch einen dimensionslosen, normierten und messbaren Parameter pk+: Beschreibung einer schädlichen Funktion durch einen dimensionslosen, normierten und messbaren Parameter

Abschlussdiskussion: Kann TRIZ für die Technologiefrüherkennung genutzt werden? Informationsbedarf bestimmen Informationen beschaffen bewerten Erkenntnisse kommunizieren Systematische Eingrenzung Datenbanken Patentanalyse Workshops Experten- befragung Portfolio- Analyse Technische Evolution Technologie-kalender Technologie- Datenblatt