Channeling resources for innovation in sustainable design

Over the past decades, environmental issues have been studied with higher interests and efforts, embracing new approaches and concepts. Among these, Life Cycle Assessment and Sustainable Development emerged as a reference direction of study. During this evolution, several tools have been developed for addressing a vast number of challenges that often require a multidisciplinary approach. In this context, Product Design assumes a central role due to the interconnections between the choices made in this phase and the decisions to be carried out later. Today, managing the effects of these interconnections is certainly favoured by instruments of Product Lifecycle Management (PLM). While these tools are mature enough for detail design tasks, being immediate and easy to use at this stage, the benefits for the early phase of Product Development are certainly more limited. This is true both with respect to the definition of the objectives of a new product proposition, that to its conceptual design development. However, the choices made in these phases strongly limit subsequent decisions, especially when radical shifts have been established (e.g., the reduction of the use of resources by a Factor X). From the analysis of the state of the art in this domain, three main issues emerged: (i) how to identify the limitations of a technical system (an artefact consisting of elements that interact in order to satisfy a desire) in the definition of new scenarios; (ii) how to integrate the analysis of products and processes characteristics; (iii) how to map the ultimate impact of the design, in terms of benefits perceived by the users. The thesis describes the three main results of the research activities that have addressed these issues. These results share a common thread and are shaped into a tool, namely the SUSTAINability map, a method, called Environmental-Process Value Analysis (E-PVA), and a prototype approach. The common thread is represented by the channelling of environmental resources towards elements that effectively deliver benefits in the customer’s quality of life. While the SUSTAINability map is designed to be used at the strategic level, E-PVA is conceived for the operational level. The prototype approach is intended as a novelty item that allows a better understanding of effects produced in the customer’s life by choices made in the design phase. The SUSTAINability map supports the systematic identification of innovation opportunities for achieving the satisfaction of a certain need in a sustainable environment, by considering resources exploitation. In order to assess the limits and potential of technical systems, the systematic identification of opportunities for innovation sprouts from the Laws of Engineering System Evolution of classical TRIZ, the Theory of Inventive Problem Solving. These laws govern the technical systems’ paths of evolution at abstract and general level. The Environmental - Process Value Analysis (E-PVA), is a business re-engineering activity that takes into account both environmental impacts and benefits of the current business process, so as to identify directions of improvement on the basis of the concept of value. The method consists of three main phases: defining the business process and the associated environmental impact, understanding how the phases of the business model generate satisfaction and interpreting results. Specifically, the environmental impact can be calculated through the application of the Life Cycle Assessment, both in normal or simplified form, or by means of other evaluation methods. The definition of the impact of each phase of the business model on customer satisfaction considers customer requirements. Their potential effect on satisfaction or dissatisfaction of customers is determined by the introduction of the Kano model of customer satisfaction, while it is asked to determine the relative contribution of each phase in achieving the expected performance of each customer requirement. Once impacts and effects on satisfaction and dissatisfaction have been defined, for each phase of the business process, two main indicators can be calculated: Value for Exciting requirements (VE) and Value for Needed requirements (VN). These parameters represent the suitability of the resources employed along the phases in achieving customer satisfaction through unexpected properties of the product or the service (VE) and in fulfilling the basic requirements, so as to avoid customer discontent (VN). These parameters communicate in relative terms the potential contribution of each phase and they can be represented in a two axis diagram. The interpretation of the diagram allows the identification of directions that are to be considered as a priority, based on the concept of value. At last, the prototype approach is integrated in the conceptual design phase in order to propose requirements priorities pursuant to final benefits, identified by the introduction of the Quality of Life concept. The benefits in this case are no longer evaluated as a list of requirements, but by the effects that are produced on the quality of life (i.e. the well-being of the customer). By the application of this approach, it is possible to reduce the detachment between Product Policy and Product Development activities, making the development team more aware and responsible about its choices.

Negli ultimi decenni, le questioni ambientali sono state oggetto di particolare attenzione e hanno abbracciato nuovi approcci e concetti. Tra questi, la valutazione del ciclo di vita (LCA) ed il concetto di sviluppo sostenibile sono diventati elementi di riferimento. Nello stesso periodo, numerosi strumenti sono stati sviluppati per affrontare un gran numero di sfide che spesso richiedono un approccio multidisciplinare. In questo contesto, la progettazione di prodotto assume un ruolo centrale per le interconnessioni tra le scelte fatte in questa fase e le decisioni che saranno intraprese successivamente. Oggi, la gestione di queste interconnessioni è certamente favorita dagli strumenti di Product Lifecycle Management (PLM). Se questi strumenti sono maturi per essere integrati con la progettazione di dettaglio, i benefici sono più limitati nelle prime fasi di sviluppo prodotto. Questo, sia nella definizione degli obiettivi di un nuovo prodotto, che nel suo sviluppo a livello di progettazione concettuale. Tuttavia, le scelte delle fasi iniziali limitano fortemente la portata delle decisioni future, soprattutto quando si desiderano cambiamenti radicali (ad esempio, la riduzione del consumo di risorse di un determinato fattore, X Factor). Dall'analisi dello stato dell'arte sono emerse tre questioni aperte: (i) come identificare i limiti di un sistema tecnico (un manufatto costituito da elementi che interagiscono per soddisfare un desiderio) nella definizione di nuovi scenari, (ii) come integrare l'analisi dei prodotti e delle caratteristiche dei processi, (iii) come mappare l'impatto finale dell’oggetto della progettazione, in termini di benefici percepiti dagli utenti. La tesi descrive i tre principali risultati delle attività di ricerca relative a queste questioni. I risultati condividono un filo comune e si concretizzano in uno strumento, cioè la mappa della Sostenibilità, in un metodo, chiamato Environmental-Process Value Analysis (E-PVA), ed in un approccio prototipale. Il filo conduttore è rappresentato dalla canalizzazione delle risorse ambientali verso gli elementi che effettivamente offrono vantaggi nella vita dell’utilizzatore. Mentre la mappa della sostenibilità è stata progettata per essere utilizzata a livello strategico, la E-PVA è concepita per un utilizzo a livello operativo. L'approccio prototipale è un elemento di novità che permette una migliore comprensione degli effetti prodotti nella vita dell’utilizzatore dalle scelte effettuate in fase di progettazione. La mappa della sostenibilità guida l'identificazione sistematica delle opportunità d’innovazione per raggiungere la soddisfazione di un determinato bisogno in un contesto di sostenibilità, poiché si considerano anche le risorse sfruttate. Al fine di valutare i limiti e le potenzialità dei sistemi tecnici, l'identificazione sistematica delle opportunità d’innovazione trae beneficio dall’introduzione delle leggi evolutive dei sistemi tecnici della teoria classica TRIZ (Teoria per la Risoluzione Inventiva dei Problemi). Queste leggi regolano i percorsi evolutivi dei sistemi tecnici a livello astratto e generale. La Environmental-Process Value Analysis (E-PVA), è un’attività di business re-engineering che tiene conto sia degli impatti ambientali che degli effetti prodotti dagli attuali processi, in modo da identificare le direzioni di miglioramento sulla base del concetto del valore. Il metodo si compone di tre fasi principali: la definizione del processo di business e del suo impatto ambientale, la definizione del contributo delle fasi del modello di business nel produrre soddisfazione e l'interpretazione dei risultati. Specificamente, l'impatto ambientale può essere calcolato mediante l'applicazione della valutazione del ciclo di vita, in forma normale e semplificata, ma anche mediante altri metodi di valutazione. La definizione dell'impatto di ogni fase del modello di business sulla soddisfazione degli utilizzatori si sviluppa dall’analisi dei requisiti. Il loro potenziale effetto sulla soddisfazione o insoddisfazione dei clienti è valutato introducendo il modello di Kano della soddisfazione del cliente. Inoltre, viene stabilito il contributo relativo di ogni fase nella soddisfazione dei requisiti. Definiti l’impatto e gli effetti sulla soddisfazione e sull’insoddisfazione, per ogni fase del processo di business, sono calcolati due indicatori: il valore per i requisiti attrattivi (VE) ed il valore per i requisiti necessari (VN). Questi parametri rappresentano la capacità delle risorse impiegate di produrre la soddisfazione dell’utilizzatore del prodotto; comunicano in termini relativi il potenziale contributo di ciascuna fase e possono essere rappresentati in un diagramma a due assi. L'interpretazione del diagramma permette l'identificazione delle direzioni che sono da considerarsi prioritarie. Infine, l'approccio prototipale è integrato nella fase di progettazione concettuale al fine di proporre le priorità dei requisiti sulla base degli effetti finali, individuati per mezzo dell’introduzione del concetto di qualità della vita. Le prestazioni in questo caso non sono più valutate come una lista di requisiti, ma diventano gli effetti che si producono sulla qualità della vita. Con l'applicazione di questo approccio, è possibile ridurre il distacco tra la politica di prodotto e le attività di sviluppo dei prodotti, rendendo il team di sviluppo più consapevole e responsabile delle proprie scelte.