Bionik Konzepte in der Automobilindustrie Bionik_Ecodesign_Disk.pdf · 2015. 8. 23. · ©T. Kanitz...

1© T. Kanitz 2011 KFI WS 2011/2012

Dipl.-Ing. Torsten Kanitz

Lehrbeauftragter HAW Hamburg

WS 2011-12 10.01.2012

Karosseriekonzepte und Fahrzeuginterior KFI

Bionik Konzepte in der Automobilindustrieund gem. Diskussion: Ecodesign

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15./16. Jh.: Leonardo Da Vinci orientiert sich

am Vogelflug für seine Experimente mit mechanisch betriebenen

Schlagflügeln

1590: „Baker Galeone“Praktische Naturbeobachtungen bewegen Matthew Baker zur Konstruktion von Schiffsrümpfen nach dem Vorbild von Dorschkopf und Makrelenschwanz.

Dies bringt eine nachweisliche Verbesserung der Manövrierfähigkeit und eine Reduktion des Fahrwiderstands im Wasser.

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1882 - heute: Sagrada Familia in Barcelona, v. Antonio Gaudi begonnen:

Baumstrukturen, Ammoniten und Regelflächen(aufgespannte Flächen zwischen zwei Geraden im Gewölbe)

als Vorbild der Turm- und Säulenkonstruktion

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„Bionische Denkweisen bereichern und ergänzen

klassische Konstruktionsmethoden. . . .

. . . Bionik bedeutet nicht reines Kopieren von der Natur,

es ist vielmehr Lernen von der Natur und

abgeleitetes eigenständiges Gestalten . . .

. . . Der interdisziplinäre Dialog . . . ist hierbei ein entscheidender

Faktor für die erfolgreiche und effiziente technische Realisierung

des „Rezepts von Mutter Natur.“

aus: Pressemitteilung der BMW AG, 2005

(Zitat Burkhard Göschel, Mitglied BMW Vorstand)

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Ansätze aus der Bionik im Automobilbau - Trendrichtungen

• Derzeit dominierender Werkstoff ist Stahl mit ca. 50%; erkennbar: ansteigende Anteile von

Leichtmetallen und Polymerwerkstoffen, insbesondere faserverstärkten Thermoplasten;

• Substitution von metallischen Komponenten durch Faserverbundbauteile bei

Verkleidungselementen, Motorträgern, Felgen, Kardanwellen, Schraubenfedern;

• Zukünftig verstärktes „Multi-Material-Design“ und Hybride;

• Optimierungen in der Leichtbauentwicklung mit Hilfe integraler Konstruktionsprinzipien

(mit optimierter Auslegung, zweckgerechter Werkstoffeinsatz, z.B. SKO, u.a.)

• Intelligente Werkstoffe („Smart Materials“), z.B. Bauteile, die sich bei ansteigender Belastung

verfestigen; Anwendungsbeispiel Stoßdämpfersysteme;

• Nanotechnologie: z.B. Nanopartikel als Füllstoff in Autoreifen, Antireflexbeschichtungen,

Nanoporöse Filter zur Minimierung der Emission von Partikeln im Nanobereich, selbst reinigende

Lacke; selbstheilende Lacke (Zukunft);

Karosseriekonzepte und Fzg. Interior: Ansätze Bionik

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• Optimierter Leichtbau, Karosserie gesamt sowie einzelne Bauteile inkl. Fahrwerks-

/Antriebskomponenten

• Strömungstechnische Optimierung von Fahrzeugkarosserien

• Intelligente Fahrzeuge / Vernetzung miteinander / Assistenzsysteme

• Optimierung von Einzelkomponenten

besonderer Stellenwert:


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Unternehmen in Deutschland aus: /2/


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Bionik

Meilensteine:

1960 USA: Symposium, Begriff „bionics“ taucht erstmalig auf

1993 VDI Kongress: Bioniker der Bundesrepublik strukturieren die Bionik als wissenschaftliche Disziplin,

„die sich mit der technischen Umsetzung und Anwendung von Konstruktions-, Verfahrens- und

Entwicklungsprinzipien biologischer Systeme befasst.“ (Quelle: /L4/)

Konstruktionsbionik: Konstruktionen der Natur

Verfahrensbionik: Vorgehensweisen oder Verfahren der Natur

Neuro- (Informations-) bionik: deren Datenübertragungs-, Entwicklungs- und

Evolutionsprinzipien

1

(1: eine gültige und festgelegte Struktur und Einteilungen existieren noch nicht,in den angegebenen Literaturen werden hierzu viele Varianten dargestellt,wovon sich zusammenfassend die drei Hauptrichtungen ergeben)


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Das Vorbild: Kofferfisch,da Verhältnis Länge / Breite / Höhefür Karosserie günstiger als beieinem länglichen Körper


Mercedes Windkanal:gemessen cw = 0,06

Ableitung desaerodynamischen Grundkörpers

Ableitung desKarosseriegrundkörperscw = 0,123

Bionic-Car von Mercedesvon 2005

Bildquelle: Mercedes Benz

Bsp. Aerodynamische Optimierung

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Hydrodynamisches Rechenmodell mit Adaption von Geometrien der KofferfischformBildquelle: designreport, 09-2005

Innovationssymposium 2005 Washington: cw = 0,19 (0,29 A-Klasse)


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Aerodynamische

Optimierung von

Karosseriedetails:

• Integrierte Leuchten

• Minimalfugen

• Kameras anstelle v. Außenspiegel

• Hinterräder abgedeckt

• Türgriffe bündig


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Berechnungsverfahren auf Basis der Grundsätze des Knochenwachstums:Bereiche mit geringer Belastung werden „gekillt“. Ausgang der Berechnung ist ein Volumen, das dem Fahrzeug Volumen entspricht, in das Kräfte eingeleitet werden (auch Crash Szenarien u.a.);

Auf den Lastpfaden baut sich das Material auf, es entsteht ein Strukturskelett bzw. eine Rohbaukonstruktion (s.r.);Unnötiges Material wird weggelassen;

Gewichtsersparnis: ca 33 %

Mercedes „bionic car“Soft Kill Option (SKO)als konkrete Anwendung aus der Bionik(Dr. Claus Matthek, Baumforscher)

Bionik Ansatz: wie beim

Kofferfisch

Außenhaut besteht aus einer

Vielzahl sechseckiger

Knochenplatten, die bei

minimalem Gewicht eine

hohe Festigkeit und

Absorptionsfähigkeit bieten.

Quelle /2/

gleiches Prinzip:SKO für MotoraufhängungOPEL / ITDC


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Türverkleidung „atmet“ („aktiv“)

Bionik Ansatz

spiegelt sich in der Gestaltung wider


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Bionic Design als ein Gestaltungsansatz

Mercedes „blue zero“

• organische Formensprache

• Leichtbaustruktur sichtbar gemacht


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CAO Methode (Computer Aided Optimization,

nennt BMW ihre Soft Kill Option ähnliche Methode),

hier wurde ebenfalls Material sukzessive entfernt, das nicht

belastet ist.

Die Felge wurde mit Hilfe mathematischer Algorithmen

„trainiert“, bis das Bauteil die Belastungsfälle besteht.

(u.a. Bodenwellen / Torsionswechsel / Bremsmanöver )

Dabei entstehen „leichte“ und „schwere“ Materialzonen,

und dadurch letzlich die Geometrie/ das Design;

Diese Methode wurde bei BMW auch angewendet für u.a.:

-Generatorenhalter

-Turboladergehäuse (Dieselmotoren)

-Zylinderkopf/Einlasskanal

-Gewichtsersparnis bis zu 40%

BMW, Motorradfelge K 1200 S

mit CAO berechnet, ca. 20% leichter

Hersteller/Projekt: BMW AG, Motorradfelge für die K 1200 S

Bionik Ansatz: mit CAO Methode optimierte Felge

Ergebnis: ca. 20% leichter bei vergleichbarer Steifigkeit


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So viel Material wie erforderlichfür die am häufigsten auftretenden Kraftflüssebzw. Belastungsfälle und:

Quelle/Bsp.: Bionik Wirtschaftszentrum Bremen,Optimization and robust engineering (2008)

Ziele u.a.-Vermeidung von Kerbwirkungen-mögl. homogene Spannungsverteilungüber das gesamte Bauteil

VORBILD


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Karosserie „Skelett“ nimmt ca. 20% des Ges.gewichts ein.

(vgl.: Mensch: 18%, Pferd: 8 % )

BMW Philosophie:

Gewichtsersparnis bringt auch mehr Dynamik

Bildquelle: hufpage.com

Hersteller/Projekt: BMW AG, 3er Karosserie mit Verstrebungen statt Massivbau

Bionik Ansatz: Übertragung von Eigenschaften von Skeletten auf die Fzg. Karosserie

Ergebnis:

Material und Lastfälle optimal

aufeinander abgestimmt


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Hersteller/Projekt: BMW AG, Wasserstoff Fahrzeug H2R mit 285 PS, Vmax = 304 km/h

Bionik Ansatz: Übertragung von Eigenschaften des natürlichen Knochengewebes auf den Alu-Schaum;

Ergebnis: geringe Stirnfläche, gute Aerodynamik ( cw = 0,21 ) und damit hohe Endgeschwindigkeit

laut BMW AG

kein Strömungsabriss,

Orientierung am Körper eines Delphins

und Flügel eines Pinguins;

A350H DOLPHIN fun boat


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Hersteller/Projekt: BMW AG, GINA light (Zukunftsvision/ Concept Car), Basis für Design Language Z4

„Geometrie und Funktionen in N-facher Ausprägung“

Bionik Ansatz: Bewegliches Metallskelett mit einer Haut wie bei Säugetieren/ beim Menschen

Ergebnis: verbessere Aerodynamische Eigenschaften, eigenständiges Design t.b.d.

Funktionen werden nur freigegeben wenn erforderlich

weniger Fugen, verbesserte Aerodynamik

Beleuchtung hinten: scheint durch das Textil durch

-> fugenlose Oberfläche im Bereich Heckleuchten


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Aufschwingende Tür ohne TÖL/ Türfuge vorne,

aber Faltenwurf im Textil (Sinnhaltigkeit t.b.d.)

Erst wenn Fahrer/Fahrerin Platz genommen haben,

formt sich der Sitz zu einer Kuhle aus.

Öffnungsschlitz zum Motor öffnet

elektrisch durch Betätigung


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Hersteller/Projekt: Diverse, z.B. BMW AG,

Schaumaluminium/Sandwichkonstruktion

Bionik Ansatz: Übertragung von Eigenschaften des natürlichen Knochengewebes

auf den Alu-Schaum;

Ergebnis: 1/10 Gewicht des Vollmaterials, nahezu gleiche Festigkeits-

Eigenschaften

Landshuter Innovations- und Technologiezentrum (LITZ), BMW Group:

ALU Schaum wir zur Unterstützung von Bauteilen verwendet.

Wird durch Einblasen von Gas und durch Einbringen chemisch reagierender

Granulate hergestellt.

-gute Energieabsorption

-Schwingungs-/Geräuschdämpfung

-Orientierung an der Knochenstruktur von Säugetieren und Vögeln

-auf spezielle Lastfälle ausgerichtet, analog zu Knochen

ALU Schaum, BMW AG

Knochenstruktur, Säugetier

Kraftfluss-Richtungenüberwiegend vorkommende Belastung


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BMW Innov. u. Technologiezentrum Landshut (LITZ)

BMW 3er / Polymere:

Bsp. Armaturenbrett aus Spritzguss-Integralschäumen:

Treibmittel in der Kunststoffschmelze setzen bei

Hitze definiert Gas frei (wie Hefe Treibmittel im Kuchen);

Kunststoffschmelze wird aufgeschäumt,

Gewichtsersparnis 20 %

-leicht elastisch

-aber hoch belastbar

-fühlt sich natürlicher an im

Vgl. zu anderen Hartplastiken

auch hier Vorbild:Knochenbau/ schwammartiges

Innengewebe


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Hersteller/Projekt: BMW AG, Bionic Seat

Bionik Ansatz: mit CAO Methode optimiert, an Wirbelsäule des Menschen orientiert

Ergebnis: ca. 50% leichter als normaler PKW Sitz, weniger Bauraum erforderlich

• Kevlar Schale als Backbone:

• Vorbild Wirbel(säule) des Menschen als „Rückgrad“

• wird man in den Sitz gepresst, biegt sich die Struktur

nach oben, Kopfstütze rückt näher z. Fahrer

• Der Sitz „folgt dem Körper“ sinnvoll, je nach Kräften

„Space Comfort Shell“ mit

adaptiven Luftkissen;

Konturen wurden aus

Körperabdrücken abgeleitet;


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Hersteller/Projekt: Recaro/ Pure Seating

Bionik Ansatz: Bewusster Umgang mit Ressourcen, max. so viel Material wie nötig

Ausgelegt für die Anforderungen für den Einsatz in Kurzstrecken- und Elektrofahrzeugen

Ergebnis: Formstabilität bei Einsparung von Material und Gewicht

• fokussiert elementare Grundfunktionen des Sitzens

• nur drei Verstellpositionen

• einteilige durchgängige Sitzschale

• Schaum und Bezug als „Sitzpads“ nur dort, wo erforderlich;

• schlankes Sitzdesign: mehr Raum für die Insassen oder

• alternativ: Fahrzeug Breite reduzierbar

• Gestaltung der Schale: Orientierung an Reptilienpanzer

mit konkav-konvexer Oberfläche

• Hohlkammeraufbau der Schale wie bei Vogelknochen

06-2010/ Präs. Aircraft Interiors Expo / Quelle: recaro.com


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Hersteller/Projekt: Continental / ContiPremiumContact, Reifenprofilentwicklung

Bionik Ansatz: Katzenpfote als Vorbild

Ergebnis: Profilform mit verbesserter Kraftübertragung

Hersteller/Projekt: Kleber Protectis, selbstreparierender Reifen

Bionik Ansatz: Smart Materials, hochelástische Polymerbeschichtung soll Verletzungen dauerhaft abdichten;

Ergebnis: Verbesserte Fahrsicherheit

eine 4 mm Schutzschicht aus hochelastischen Polymeren

umschließt den eingedrungenen Gegenstand

und dichtet den Reifen nach außen hin ab;

Funktioniert bei Löchern bis zu 4,7 mm,

zwischen -35 und +50 Grad

Bildquelle: Continental - /L6/

Beim Bremsen verbreitert sich das Reifenprofil,

wodurch mehr Bremskräfte auf den Asphalt übertragen

werden;

In Verbindung mit der geschlossenen Außenschulter

optimieter Geradeauslauf;


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/1/ Wallentowitz u.a.: Strategien in der Automobilindustrie – Technologietrends und Marktentwicklungen, ATZ/MTZ Fachbuch, Wiesbaden: Vieweg, 1. Aufl. 2009

/2/ Oertel, Dagmar / Grunwald, Armin: Potenziale und Anwendungsperspektiven der Bionikin: TAB Büro für Technikfolgenabschätzung beim Deutschen Bundestag, Vorstudie, Arbeitsbericht 108, 4-2006

/3/ Hans-Peter Bayerl: Bionik im Automobilbau, in: Automotive Now, Ausgabe Herbst 2009, KPMG Zeitschrift

/4/ Daimler HighTech Report – Formen für morgen, Faszination Technologie, Ausgabe 01/2008

/5/ Daimler HighTech Report – Elektrische Antriebstechnik, Assistenzsysteme, Crash-Simulation und Lichtsysteme,Ausgabe 01/2009

Quellenangaben


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Links

/L1/ www.daimler.com/innovation

/L2/ http://www.drze.de/DigiBELIT/de/tab/ab/86.pdfBüro für Technikfolgenabschätzung beim Deutschen Bundestag, TAB

/L3/ www.bionik-vitrine.de

/L4/ www.biocon.net

http://dipbt.bundestag.de/dip21/btd/16/037/1603774.pdf/L5/

http://www.contionline.com/generator/www/at/de/continental/automobil/themen/pkw/sommer/hidden/conti_premium_contact/contipremiumcontact_de,tabNr=3.html

/L6/

http://www.recaro-automotive.com/de/unternehmen/kompetenzen/driving-solutions/pure-seating.html

/L7/


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gemeinsame Diskussion:

ECODESIGN

Diskussion: Ecodesign

Designsprache und -elemente

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Der „grüne Trend“

Green Living oder LOHAS (Lifestyle of Health and Sustainability)

Green IT

Aktivitäten, die Nutzung von Informations- und Kommunikationstechnologie

über deren gesamten Lebenszyklus hinweg umwelt- und

ressourcenschonend zu gestalten;

Design – Produktion – Verwendung – Entsorgung/Recycling ASUS EcoBookmit Bambus Gehäuse,jew. Design Unikat;


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Wandel in der Werbung der Automobilindustrie

Neue Fahrzeuge werden mit attributen wie

„umweltschonend“, „emissionsreduziert“ oder

„umweltgerecht“ beworben.


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DIN ISO 14001

Internationale Umweltmanagementnorm, defin. Anforderungen für ein Umweltmanagementsystem,

für produzierende oder Dienstleistungsunternehmen;

Plan – Do – Check – Act PDCA

Ziel: Jede Firma sollte ein Umweltmanagementsystem aufbauen;

-„Cleaner Production“, ... u.a.

DIN Empfehlung:

Ökoeffizienz als Kennzahl einführen, mit der Produktionsprozesse und Produkte wirtschaftlicher gestaltet

werden sollen, bei möglichst Steigerung der Umweltverträglichkeit;

Handelsrat für nachhaltige Entwicklung:

Ökoeffizienz = (wirtschaftlicher Wert eines Produkts) / (Einfluss bzw. neg. Auswirkungen auf die Umwelt)


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Eco Design – Bionic Design

Eco Design orientiert sich vor allem an den Prinzipien der Nachhaltigkeit

Ziel ist, mit intelligentem Einsatz der Ressourcen einen möglichst großen Nutzen für alle

Beteiligten entlang der Wertschöpfungskette

bei minimaler Umweltbelastung und unter sozial fairen Bedingungen zu erreichen.

In der Produktplanungs- und designphase können Designer, Konstrukteure und

Produzenten Einfluss auf die Phase nehmen und Innovationen voranbringen.


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Beispiel Architektur:

In der Architektur werden bionische

Prinzipien in architektonische

Strukturen integriert, d.h. es

werden Beispielsweise

Tragkonstruktionen und Vorgänge

aus der Natur auf die Konstruktion

von Bauwerken übertragen.

Teilweise entstehen die natürlich

anmutenden Formen aber

aus nur rein optischen Gründen,

die technische Sinnhaltigkeit

ist nicht immer offensichtlich;

soma architecture:

Bsp. Themenpavillon auf der Expo 2012 in Yeosu in Südkorea.

zur Weltausstellung

Herzstück ist eine „kinetische Fassade, die nach bionischen

Prinzipien funktioniert. Die 108 Lamellen aus Glasfaser - ähnlich

aufgebaut wie ein Surfbrett - sind flexibel und können durch

Druckausübung wie Kiemen auf und zu gemacht werden. Es ist das

erste Mal, dass ein bionisches System in dieser Größe realisiert

wird. Nach der Expo soll das Gebäude als Kulturzentrum

weitergenutzt werden.“


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Beispiele Grafik:

Logo Entwürfe „green product“


Beispiele Produktdesign

Orangenpresse „Juicy Salif“

(Philippe Starck)

Lea Arahonovitch

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Designsprache und Sprachelemente, Automotive Design

Bsp.


Designsprache „Nagare“ bei Mazda, an der sich alle

aktuellen Concept Cars orientieren.

Mazda Kiyora

„Kiyora“ steht im Japanischen für Begriffe wie

„Reinheit“, „Sauberkeit“

Fahrzeuginterior:

Organisch-fließende Formen,

„innere Verbundenheit“ mit der Natur

Quelle: www.mazda.com

38© T. Kanitz 2011 KFI WS 2011/2012 Diskussion: Ecodesign

Mazda Kazamai

„Kazamai“ steht im Japanischen für

„Tanzender Wind“

Exterior Design: Orientierung an Windturbulenzen,

und an den „Kräften der Natur“

Quelle: www.mazda.com


Mazda Nagare

„Fließende Energie“

Mazda:

Von der Natur abgeschaut: Als Inspiration dienten

die Effekte, die Bewegungsenergie in der Natur

bewirken: Wie die Muster, die Wind in den

Wüstensand zeichnet, die Spuren, die Wasser auf

dem Meeresboden erzeugt, oder das Bild, das an

einer Bergflanke herabfließender Lavastrom

hinterlässt.


Mazda Ryuga

„Harmonisch fließende Kraft“

Vorbilder Interior:

Japanische Stein und Trockengärten

Vorbilder Exterior:

Fließende Lava;

Je nach Lichteinfall reflektiert die Oberfläche

gelbe, blaue oder rote Schattierungen;


Mazda Furai

japan. „Der Klang des Windes“

mit 3-Scheiben-Wankelmotor (450 bhp, 331 kW)

für den Einsatz von Bioethanol ausgerüstet

Designchef: Laurens van den Acker

(heute Renault)


Beispiel für den Einsatz

weniger optischer „Öko-Designelemente“

Trend: es ist bei den Conceptcars ein stärker werdender

Trend zu lokalisieren, dass die Technische Innovation, die

in dem Fahrzeug steckt, auch über die Gestaltung des

Fahrzeugs ( Exterior wie auch Interior ) transportiert und

kommuniziert werden soll bzw. dass Beides miteinander

verschmilzt (Beispiele siehe rechts).

Ganz im Sinne von: „Hier steckt Öko-Effizienz drin, und

das sollte auch über das Design transportiert und

kommuniziert werden“.

Bisher festzustellen:

(Werbung) Der Mehrwert durch Öko-

Technologien wird noch z.Zt. weniger über

die Gestaltung verkauft,

sondern überwiegend über die technischen

Benefits / Daten;

Bsp.

Mercedes

F125

Bsp.

BMW E3


Ziel des Eco-Designs ist es vor allem,

ein Produkt zu schaffen, das einen positiven

Beitrag im Sinne einer ökoeffizienten

Wertschöpfungskette leistet.

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