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Systems Thinking Die neue Interdisziplinarität für die Konstruktion künftiger Produkte

Autor / Redakteur: Andreas Müller / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Sensoren, Embedded Software und Elektronik machen mittlerweile bis zu 50 % des Mehrwerts von Produkten aus – Tendenz steigend. Angesichts der damit wachsenden Komplexität müssen auch Konstrukteure interdisziplinär denken, entwickeln und Teil des ganzen Produktlebenszyklus sein – ein Überblick über die steigenden Anforderungen und wie Abhilfe geschaffen werden kann.

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Nicht mehr Denken in Silos, sondern in Systemen ist nötig, wenn es um die Entwicklung der immer komplexer werdenden, intelligenten und vernetzten Produkte von heute und morgen geht.
Nicht mehr Denken in Silos, sondern in Systemen ist nötig, wenn es um die Entwicklung der immer komplexer werdenden, intelligenten und vernetzten Produkte von heute und morgen geht.
(Bild: ©sljubisa - stock.adobe.com)

Internet of Things und Industrial Internet of Things (IIoT) ermöglichen und erfordern die Entwicklung funktionsreicher, vernetzter cybertronischer Systeme. Sie bestehen nicht nur aus mechanischen Bauteilen, sondern zunehmend aus interdependenten Elementen wie Software, Hardware, Elektronik einschließlich Sensoren und integrierten Diensten.

Allerdings sind diese komplexen Lösungen in ihrem Betrieb nicht von ihrer Umgebung isoliert. Ein autonom fahrendes Kraftfahrzeug etwa interagiert mit anderen Systemen – zum Beispiel anderen Automobilen, die den Verkehr steuernde Telematik einer Smart City oder dem Wetter, welches den Straßenbelag und damit das mögliche Fahrverhalten beeinflusst. Dazu gehört ebenso die Produktionsumgebung in einer Fabrikhalle mit ihrer Betriebstemperatur, welche die Ausfallsicherheit eines Roboterarms beeinträchtigen kann.

Vernetzte cybertronische Systeme bestehen nicht nur aus mechanischen Bauteilen, sondern zunehmend aus interdependenten Elementen einschließlich Sensoren und integrierten Diensten.
Vernetzte cybertronische Systeme bestehen nicht nur aus mechanischen Bauteilen, sondern zunehmend aus interdependenten Elementen einschließlich Sensoren und integrierten Diensten.
(Bild: ©Ralf Geithe - stock.adobe.com)

Verpasste Chancen, Ausfälle, Fehler im Betrieb

Die Komplexität solcher Systeme kann ein Einzelner nicht erfassen, berücksichtigen oder verwalten. In der Folge steigt der Bedarf an Personal und die Kosten, um ein Produkt zu entwerfen. Durch verzögerte Innovationszyklen verpassen Unternehmen unter Umständen die Chance, ein neues Produkt rechtzeitig auf den Markt zu bringen. Später kann es im Betrieb zu Ausfällen, fatalen Fehlern und Unfällen kommen. Denn viele am Reisbrett entworfene Lösungen zeigen oft erst im Einsatz Eigenschaften, die ein Konstrukteur mit herkömmlichen Tools nicht immer vorhersehen kann. Entwicklung, Herstellung, Betrieb und Wartung benötigen die permanente Rückmeldung solcher Informationen, um das System dann weiter zu optimieren.

Warum modellbasierte Systementwicklung nötig ist

Die erweiterten Aufgaben verlangen einen holistischen Entwurf mechatronischer Systeme. Damit Konstrukteure die Komplexitäten eines Autos oder einer Maschine beim Entwurf und über ihren ganzen Produktlebenszyklus hinweg berücksichtigen können, müssen sie daher eine modellbasierte Systementwicklung (Model Based System Engineering, MBSE) anwenden. Beim zugrundeliegenden Modell geht es nicht nur um das Layout eines CAD-Entwurfes, sondern um eine ganzheitliche Dokumentation des Lösungsdesigns. Dazu gehören insbesondere die Anforderungen an das Produkt und die sich daraus ergebenden Absichten hinter einem Entwurf. Das Modell dokumentiert nicht nur das „Was“, sondern auch das „Warum“ aller in der Produkthistorie getroffenen Entscheidungen.

Digital Thread als Rückgrat der Systementwicklung

Rückgrat dieser Systementwicklung ist der Digital Thread. Dieses den gesamten Lebenszyklus hinweg umfassende Datenmodell eines Objekts hält sämtliche Änderungen in der Produkthistorie und auch die damit verbundene Interaktion der Experten im ganzen Produktlebenszyklus nachvollziehbar fest – samt ursprünglicher Anforderungen, konkreter Daten wie MBOM- oder EBOM-Stücklisten und Angaben zu Zulieferern.

Kern des Digital Thread ist der Digital Twin: die Eins-zu-Eins-Simulation eines Autos, einer Maschine oder einer Komponente. Sie enthält die Ergebnisse aller an diesem Modell durchgeführten Simulationen der Konstruktion oder der Einsatzbedingungen, die berücksichtigt werden sollen. Zudem werden alle im laufenden Betrieb gesammelten oder bei dessen Wartung weitergegebenen Informationen hier zusammengeführt. Die für alle unmittelbar verfügbare Zusammenstellung aller Informationen in Digital Thread und Digital Twin als Teil einer PLM-Kollaborationsplattform ermöglicht ein interdisziplinäres Entwickeln und Optimieren von Produkten – beginnend mit dem ersten Konzept über Design, Herstellung, Betrieb und Wartung bis hin zur Überführung in Nachfolgemodelle.

Diese Vorteile hat die Entwicklungsmethode MBSE

  • Dass Informationssilos nun durch Digital Thread und Digital Twin aufgelöst werden und so eine digitalisierte, unmittelbare und dokumentierte Zusammenarbeit möglich wird, ist nicht der einzige Mehrwert von MBSE.
  • Zugleich können neue Technologien – wie etwa aktuell das Internet der Dinge, generative Design oder künstliche Intelligenz – schneller in das PLM integriert werden.
  • Ebenso werden aufkommende oder sichtbar werdende Risiken, die zu Ausfällen oder katastrophalen Fehlern führen können, gesenkt – etwa durch eine bessere Failure Mode and Effects Analyse (FMEA).
  • Dabei spart ein solches Modell Zeit sowie Personal und senkt die Kosten, um die Qualität aufrechtzuerhalten oder zu verbessern.

Silodenke hat ausgedient.
Silodenke hat ausgedient.
(Bild: ©sljubisa - stock.adobe.com)

Neue Anforderungen und Möglichkeiten der Interdisziplinarität

  • Früher verlor der Konstrukteur – zumindest vorübergehend – das vorläufige Endergebnis seiner Entwicklung aus den Augen, sobald dieses in die Herstellung oder in den Einsatz ging. Im Rahmen einer Modell-basierten, systemorientierten Vorgehensweise ist er nun über den digitalen Thread auch in spätere Phasen des Produktlebenszyklus eingebunden.
  • Generell können nun Engineering-Prozesse – wie Freigabe, Änderung und Konfiguration – alle Disziplinen und alle PLM-Phasen abdecken. Entwicklung und Planung der Herstellung werden enger zusammenwachsen. So wird die Redundanz zwischen einer EBOM, einer MBOM und der BOP (Bill of Processes) intelligent aufgelöst. Die Integration zu Produktionsplanungs- und Steuerungssystem wird dabei eine größere Rolle spielen, als die Einbindung in ein Manufacturing Execution System (MES).
  • Zudem rückt nun auch der operative Betrieb in den Fokus des Entwicklers. Das spielt besonders im Rahmen von Service-orientierten Geschäftsmodellen – wie etwa Wartung von geleasten Automobilen – eine wachsende Rolle, an deren Verwirklichung nun ein Entwickler direkt beteiligt ist.
  • Ebenso gilt es sicherzustellen, dass Normen und Empfehlungen zur Nachverfolgung eines Entwurfsprozesses eingehalten werden: So etwa im Automobilbereich Normen für das Qualitätsmanagement wie ISO/TS 16949, VDA 5005 für die Vor- und Rückverfolgbarkeit von Fahrzeugteilen und Identifizierbarkeit ihrer technischen Ausführungen oder die AIAG Traceability Guideline.
  • Mit der Kollaboration aller Beteiligten lässt sich die funktionale und Betriebssicherheit für den gesamten Lebenszyklus verbessern. Eine modellbasierte Systementwicklung hilft, Sicherheitsrisiken zu minimieren und entsprechende Regeln einzuhalten.

Verteiltes Arbeiten nimmt zu

Der Entwurf und die Optimierung der Systeme findet zunehmend verteilt statt und wird durch eine einheitliche PLM-Plattform für die Kollaboration unterstützt. Dazu gehört die Neugestaltung der Zusammenarbeit durch den richtigen Einsatz von Autorensystemen: Einerseits werden diese immer intelligenter. Andererseits wachsen die Wünsche der Anwender, neue Visualisierungen wie Virtual Reality, Augmented Reality oder generative Design-Technologien und Electronic Design Automation (EDA) unter direkter Integration von Simulationen einzubinden. Dadurch lässt sich auch die 3D-Drucktechnik unterstützen.

Die Rolle der künstlichen Intelligenz

In der neuen Interdisziplinarität wird die künstliche Intelligenz (KI) eine gewichtige Rolle spielen. Bisher kam diese eher an der Schnittstelle zwischen digitalem und physischem Twin zum Einsatz, um Felddaten auszuwerten. Ein Management von Varianten, Konfigurationen und deren Änderungsmanagement bei gegebener Nachverfolgbarkeit bleibt bei Zunahme der quantitativen und qualitativen Komplexität nur noch mit hoher Automatisierung und der Anwendung von KI beherrschbar. Als eine Art Super-Assistent werden die Akteure KI für alle Design- und Entscheidungsprozesse heranziehen und ihr lästige Detailarbeit übergeben.

Ganzheitliche Entwicklung mit System

Die Grundlage für das ganzheitliche Entwerfen von Produkten ist dabei immer eine einheitliche Plattform zur Darstellung aller Informationen als Referenz über den ganzen Produktlebenszyklus hinweg. Nur eine nachverfolgbare Repräsentation nicht nur dokumentierender Informationen, sondern auch der dahinterstehenden Design-Absicht ermöglicht es, komplexe Lösungen kollaborativ, interdisziplinär und digital zu entwickeln und zu verbessern. Angesichts des stärkeren Zusammenwachsens von Anforderungsmanagement, der Entwicklung der Produkte als Systeme sowie des Managements im laufenden Betrieb kommt einer offenen PLM-Plattform als Anlaufstelle für alle Beteiligten eine entscheidende Bedeutung zu. So kann modellbasiertes System Engineering eine strategische Rolle spielen, um zukunftssichere Lösungen schnell, effizient, sicher und mit hoher Qualität auf den Markt zu bringen und weiterzuentwickeln.

Whitepaper

Wie Systems Thinking dabei unterstützen kann, die steigende Produktkomplexität zu meistern, zeigt Aras auch in einem Whitepaper, das kostenfrei zum Download zur Verfügung steht.

Hier downloaden.

* Andreas Müller, Senior Vice President EMEA bei Aras

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