Digital Engineering Die Zukunft der Produktentwicklung ist digital, modellbasiert und virtuell

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In kurzen Innovationszyklen technische Produkte entwickeln, die komplex, ressourcenschonend und bereit für die Digitalisierung sind – das ist kein Kinderspiel. Aber es gibt Methoden, die Entwickler und Konstrukteure dabei unterstützen.

Produktentwicklung im 21. Jahrhundert bringt einige Herausforderungen mit sich.
Produktentwicklung im 21. Jahrhundert bringt einige Herausforderungen mit sich.
(Bild: Blue Planet Studio - stock.adobe.com)

Höher, schneller, weiter: Dieses Motto scheint heute für alle Bereiche unseres Lebens zu gelten. Für technische Produkte bedeutet das nicht weniger, als dass sie nutzerzentriert und personalisiert, nachhaltig und energieeffizient, digital vernetzbar und schnell verfügbar sein sollen. Eine Herausforderung für Konstrukteure und Entwickler.

Hinzu kommt, so Dr.-Ing. Benjamin Schleich, Oberingenieur und Leiter des Forschungsbereichs „Virtuelle Produktentwicklung und Konstruktionsmethodik“ am Lehrstuhl für Konstruktionstechnik (Prof. Dr.-Ing. Sandro Wartzack) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, dass angesichts der Entwicklungen rund um Industrie 4.0, der Digitalisierung in der Produktion und der additiven Fertigung auch die Sicherstellung der effizienten Herstellbarkeit und die Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Fertigungskapazitäten eine große Herausforderung für Konstrukteure darstellen.

Tipp

Konstruktionsleiter-Forum 2022:
Produktentwicklung neu denken

Der Schlüssel für den Erfolg eines Unternehmens liegt in Konstruktion und Entwicklung. Hier entstehen innovative Produkte, die die Wettbewerbsfähigkeit sichern. Doch die Herausforderungen in der Produktentwicklung steigen stetig: Es gilt Produkte mit immer größerem Funktionsumfang zu entwickeln, deren Produktion und Betrieb möglichst wenig Energie und Material verbrauchen. Gleichzeitig sollen Entwicklungs- und Produktionskosten sinken. Hinzu kommen Vernetzung, Digitalisierung und die Bildung von Systems of Systems, kurz SoS, also Systemen, die sich in Netzwerken austauschen und nur so neue Funktionen realisieren.

Das Konstruktionsleiter-Forum am 21. September 2022 in Würzburg will Konstruktions- und Entwicklungsleiter sensibilisieren für die Herausforderungen der Produktentwicklung des 21. Jahrhunderts sowie Lösungen aufzeigen. Dazu gehören praxisorientierte Tools und Methoden, um innovative Ideen strukturiert zu entwickeln und den Produktentstehungsprozess so schlank und effizient wie möglich zu gestalten.

Weitere Informationen finden Sie hier: www.konstruktionsleiter-forum.de

Die Trends: digital, modellbasiert und virtuell

Glücklicherweise gibt es verschiedene Methoden und Ansätze, um diesen Herausforderungen zu begegnen. Der Lehrstuhl für Konstruktionstechnik der FAU Erlangen-Nürnberg erforscht im Kontext der virtuellen Produktentwicklung aktuell insbesondere den gezielten Einsatz von maschinellen Lernverfahren, datengetriebenen Methoden und Ansätzen zur Wissensrepräsentation im Kontext des Digital Engineerings.

Methoden der Künstlichen Intelligenz und des maschinellen Lernens helfen uns in der Produktentwicklung bereits heute, die vielfältigen Daten- und Informationsströme aus dem Produktlebenszyklus zu verarbeiten und daraus Wissen für die Gestaltung zukünftiger Produkte zu extrahieren.

Daneben sind u.a.der Digitale Zwilling, modellbasiertes Systems Engineering, maschinelles Lernen und Verfahren der virtuellen Realität als Schlagworte zu nennen, betont Schleich. „Neben dem zunehmenden Einsatz von modellbasierten Entwicklungsmethoden können insbesondere durchgängige Toolketten verschiedener CAD- und CAE-Werkzeuge bei der Konstruktion, technischen Integration und virtuellen Absicherung komplexer technischer Produkte unterstützen.“ Zudem spiele die nachvollziehbare Dokumentation und Weitergabe von anforderungs-, produkt- und fertigungsbezogenen Informationen mit Hilfe von PLM-Tools eine entscheidende Rolle.

Neben dem zunehmenden Einsatz von modellbasierten Entwicklungsmethoden können insbesondere durchgängige Toolketten verschiedener CAD- und CAE-Werkzeuge bei der Konstruktion, technischen Integration und virtuellen Absicherung komplexer technischer Produkte unterstützen.

Teamwork: menschliche und die Künstliche Intelligenz verbinden

Bereits heute unterstützen Methoden der Künstlichen Intelligenz und des maschinellen Lernens in der Produktentwicklung dabei, die vielfältigen Daten- und Informationsströme aus dem Produktlebenszyklus zu verarbeiten und daraus Wissen für die Gestaltung zukünftiger Produkte zu extrahieren. „Während diese Verfahren heute allerdings oft noch punktuell und für klar abgegrenzte Teilschritte der Entwicklung zum Einsatz kommen, wird es uns in Zukunft möglich sein, die menschliche und die Künstliche Intelligenz zu einer Hybriden Intelligenz zu verbinden“, sagt Schleich. Zudem werden virtuelle und augmentierte Realität an Bedeutung gewinnen und den Weg zum virtuellen Konstruktionsarbeitsplatz ebnen. „Hier spielen aus meiner Sicht unter anderem die erhöhte Intensität der Immersion durch neue Hardware und verbesserte Interaktionsmöglichkeiten eine entscheidende Rolle.“

Für die Konstruktion sehe ich den Trend zu verbesserten Arbeitsumgebungen durch Ansätze der virtuellen und augmentierten Realität.

Schleich erwartet zudem, dass die Digitalisierung des Produktentstehungsprozesses in den kommenden fünf Jahren kontinuierlich zunehmen wird und es ermöglicht, Informationskreisläufe zwischen Produktplanung, Konstruktion, Fertigung, Betrieb und Produktaufbereitung bzw. -verwertung zu schließen. So können die Auswirkungen von Konstruktionsentscheidungen frühzeitig besser und ganzheitlicher abgeschätzt werden.

Modelbased Definition (MBD), also die Definition aller produktrelevanten Spezifikationen direkt im 3D-Master, ist ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zum zeichnungslosen Prozess, der neben der geringeren Fehleranfälligkeit auch zur verbesserten Automatisierung in der Fertigung und Qualitätssicherung führt. Konsequenterweise beschäftigen sich bereits heute viele Konstruktionsabteilungen damit, wie sie ihre Arbeitsweise hin zum MBD umstellen können und dieser Trend wird sich in naher Zukunft noch weiter verstärken.

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