Diese Methoden und Tools beschleunigen die Entwicklung smarter Produkte

Rückblick Smart Engineering Day Diese Methoden und Tools beschleunigen die Entwicklung smarter Produkte

12.05.2020Autor: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Wie Produktentwicklung in Zeiten von Digitalisierung und smarter Produkte funktioniert, zeigte der erste Smart Engineering Day der konstruktionspraxis.

Firmen zum Thema

Dassault Systemes Deutschland GmbH

VDI Verein Deutscher Ingenieure e.V.

TEDATA GmbH

Altair Engineering GmbH

COMSOL Multiphysics GmbH

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Der Smart Engineering Day wurde aufgrund der Corona-Krise als Webkonferenz veranstaltet. Im Bild die beiden Keynote-Speaker Prof. Dr. Glauner (links oben) und Olaf Götz sowie Ute Drescher, Chefredakteurin der konstruktionspraxis und Monika Zwettler, Redakteurin.
(Bild: VCG)

Aufgrund aktueller Anforderungen an die Produktentwicklung wie die zunehmende Komplexität sowie steigender Zeit- und Kostendruck müssen Konstrukteure und Produktentwickler bereits bei der Produktentstehung umdenken, um die Prozesse rund um die Entwicklung smarter Produkte effizienter zu gestalten. Ihnen dafür Methoden und Tools an die Hand zu geben, war das Ziel der Webkonferenz Smart Engineering Day 2020, die am 7. Mai aufgrund der Coronakrise virtuell stattfand.

Künstliche Intelligenz zielführend einsetzen

Künstliche Intelligenz als Werkzeug der Digitalisierung hat großes Potenzial zur Verbesserung der Effizienz von Prozessen, denn erstmals werden digitale Inhalte nicht nur maschinenlesbar gespeichert, übertragen und verarbeitet, sondern durch KI auch inhaltlich verstanden, sodass Entscheidungen wissensbasiert unterstützt werden können. Warum aber die meisten KI-Projekte in der Praxis scheitern, führte Prof. Dr. Patrick Glauner in seiner Keynote auf dem Smart Engineering Day aus. Er ist Geschäftsführender Gesellschafter der Skyrocket.ai GmbH und Professor für Künstliche Intelligenz an der Technischen Hochschule Deggendorf. Seinen Ausführungen zufolge liegt das vor allem daran, dass der Einsatz von KI gut geplant werden muss.

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Olaf Götz, Head of R&D Solution Tools bei Lenze Automation GmbH, stellte die ganzheitliche Perspektive im Engineering und ein webbasiertes Planungswerkzeug von Lenze für die enge Verknüpfung verfügbarer Daten vor.

Wie Zielpreisformeln die richtige Balance zwischen Kundennutzen, Preisen und Kosten ermöglicht, erklärte Robert M. Münch, CEO der Saphirion AG.

Wie wissensbasiertes Konstruieren (KBE) auf Basis von Expertensystemen in Zeiten des digitalen Engineerings funktioniert, erklärte Dr. Benjamin Schleich vom Lehrstuhl für Konstruktionstechnik der FAU Erlangen-Nürnberg. Er stellte ein selbstlernendes Analysewerkzeug für die Blechmassivumformung vor. Dieses Werkzeug erleichtert Anwendern die Konstruktion von Teilen für das relativ neue Umformverfahren, indem es ihnen interaktiv die Möglichkeiten, aber auch Grenzen aufzeigt.

Wie Anwender Schritt für Schritt zur Konzeptionierung und Einführung digitaler Zwillinge kommen, erklärte Jakob Trauer, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Produktentwicklung und Leichtbau der TU München. Das vorgestellte Modell wurde im Rahmen einer industriellen Fallstudie mit einem Heizungsunternehmen entwickelt.

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Seine Tipps für den Einstieg:

Zunächst muss klar sein, welche Zahlen und KPI durch Künstliche Intelligenz verbessert werden sollen. „Wenn das Ziel nicht klar definiert ist, ist das schon der Anfang vom Ende“, so Prof. Glauner.

Im nächsten Schritt muss evaluiert werden, ob KI der richtige Ansatz für den Einsatzfall ist. „Bei schlecht strukturierten Vorgängen beispielsweise kann auch Künstliche Intelligenz nicht helfen.“

Dabei kann KI entweder die Wertschöpfungskette im eigenen Unternehmen erhöhen oder die des Kunden, indem KI in die eigenen Produkte eingebaut wird.

In Konstruktion und Entwicklung kann Künstliche Intelligenz zum Beispiel dort ansetzen, wo mehrere Konstrukteure gleiche Teile konstruieren und nicht zum gleichen Ergebnis kommen. Dieser hohen Unsicherheit kann durch den Einsatz von KI begegnet werden.

Digitales Engineering – von der Idee bis zum laufenden Betrieb

Die digitale Transformation lebt von der engen Verknüpfung verfügbarer Daten – und das bereits bei der Entwicklung von Maschinen und Anlagen. Welche Daten und Werkzeuge dafür zur Verfügung stehen und wie sie in existierende Prozesse integriert werden können, stand im Fokus des zweiten Plenum-Vortrags. Olaf Götz, Head of R&D Solution Tools bei Lenze Automation GmbH, stellte die ganzheitliche Perspektive im Engineering und ein webbasiertes Planungswerkzeug dafür vor. Basierend darauf vereinfachen vorgefertigte Software-Module die Realisierung und Inbetriebnahme von Maschinen-Funktionalität. Auch Konzepte zur Verwaltungsschale, Asset Management oder Condition Monitoring bis zur Anbindung in die Cloud werden anwendbar – und damit die Smart Factory zur Realität.

Methoden und Tools für die Produktentwicklung

Tipps und Tricks für die Arbeit erhielten die Teilnehmer der Webkonferenz in den darauf folgenden Praxisforen:

Konstruktionsmethoden

Innovationsmethoden

Intelligent simulieren

Clever konstruieren

Praxisforum 1: Konstruktionsmethoden

Wie Zielpreisformeln zur richtigen Balance zwischen Kundennutzen, Preisen und Kosten führen, erläuterte Robert M. Münch, CEO der Saphirion AG. Die von ihm entwickelte Methode NLPP gibt Konstrukteuren ein Tool an die Hand, mit dem sie schnell präzise Prognoseformeln für Kosten und Verkaufspreise erstellen können und so bei Neuentwicklungen den Bedarf der Kunden treffen.

Die NLPP-Methode quantifiziert den Kundennutzen von Produktvarianten.

Wie wissensbasiertes Konstruieren (KBE) auf Basis von Expertensystemen in Zeiten des digitale Engineerings funktioniert, erklärte Dr. Benjamin Schleich vom Lehrstuhl für Konstruktionstechnik der Friedrich-Alexander-Univerität Erlangen-Nürnberg. Er stellte ein selbstlernendes Analysewerkzeug für die Blechmassivumformung vor. Dieses Werkzeug erleichtert Anwendern die Konstruktion von Teilen für das relativ neue Umformverfahren, indem es ihnen interaktiv die Möglichkeiten, aber auch Grenzen aufzeigt und sie bei der Konstruktion der Teile anleitet. Systeme dieser Art sichern Expertenwissen in Zeiten der digitalen Transformation und von Fachkräftemangel. „KBE im Kontext des Digital Engineering erlaubt das Erkennen von Mustern durch Machine Learning und die Rückführung des Wissens in die Produktentwicklung“, so Dr. Schleich.

Prof. Dr. Mantwill von der Helmut-Schmidt-Universität Hamburg stellte im letzten Vortrag des Forums die Neuerungen der Norm VDI 2221 vor. Die VDI 2221 ist im vergangenen November in einer komplett überarbeiteten und nunmehr zweiteiligen Fassung neu erschienen. Das Standardwerk für Konstrukteure und Produktentwickler behandelt die Grundlagen der methodischen Entwicklung aller Arten von technischen Produkten und Produktsystemen. Blatt 1 definiert in einem Modell der Produktentwicklung zentrale Ziele, Aktivitäten und Arbeitsergebnisse. Blatt 2 gibt Hinweise, wie aus dem allgemeinen Modell der Produktentwicklung ein individualisierter Entwicklungsprozess abgeleitet werden kann. Darüber hinaus soll das Blatt dazu anregen, das eigene Vorgehen inhaltlich und organisatorisch zu reflektieren und anzupassen.

In der Corona-Krise steigt die Bedeutung virtueller Weiterbildung. Der Smart Engineering Day wird am 7. Mai in einer Web-Konferenz ausgestrahlt.

Praxisforum 2: Intelligent simulieren

Die Produktentwicklung als Kern der Produktentstehung ist eine wichtige Stellschraube für den Unternehmenserfolg. Um die Herausforderungen des Marktes zu meistern, müssen Möglichkeiten zur Verkürzung der Entwicklungszeit geschaffen werden, ohne dabei an Produktqualität einzubüßen. Hier kommen Computer Aided Engineering und Simulation ins Spiel.

Deshalb war der intelligente Einsatz von Simulation Thema des zweiten Praxisforums. Zunächst stellten Comsol und Altair ihre Simulationslösungen vor und zeigten, wie Konstrukteure und Entwickler die Effizienz ihrer Prozesse damit erhöhen können.

In den Simulationslösungen von Comsol können sogenannte Applikationen erstellt werden, mit denen auch Nicht-Experten die Vorteile der Simulation nutzen können.

Altair bietet mit der Lösung Simsolid eine der aktuell verfügbaren Live-Simulationslösungen, die früh in der Produktentwicklung eingesetzt zu mehr Effizienz führen.

Im Anschluss stellte Jakob Trauer, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Produktentwicklung und Leichtbau der Technische Universität München, ein Modell vor, mit dem Anwender digitale Zwillinge Schritt für Schritt konzeptionieren und einführen können. Das Vorgehensmodell wurde im Rahmen einer industriellen Fallstudie mit einem Heizungsunternehmen entwickelt und besteht aus den fünf Schritten Projektinitiierung und Zieldefinition, Situationsanalyse, Zielkonzeption, Analyse der Implementierungspartner sowie der Implementierungsbegleitung. Daraus ergeben sich ein Zielkonzept sowie Anforderungen an die Implementierung. Um die Anwendbarkeit des Modells zu unterstützen, wurde eine Vorlage erstellt, die durch sämtliche Schritte führt.

Wie Unternehmen den zunehmden Datenschatz heben und dank Digitalen Zwillingen daraus einen Mehrwert generieren können ist Thema des Smart Engineering Day der konstruktionspraxis.

Praxisforum 3: Innovationsmethoden

Konstrukteuren und Entwicklern stehen heute vielfältige Innovationsmethoden zur Verfügung, um technische Probleme zielgerichtet zu lösen und gewünschte Kreativität auf den Punkt abzurufen. Eine dieser Methoden ist das Lego Serious Play, bei dem sozusagen mit den Händen gedacht wird. Der moderierte Prozess wird zur Strategieentwicklung eingesetzt, für die Teamentwicklung, der Verbesserung der Kommunikation, für das Lösen von Konflikten und auch für die Entwicklung neuer Produkte.

Wie Jens Dröge von der Steinbeis Intercultural Academy erklärte, ist der Lego-Stein ein reines Werkzeug, eine Metapher, mit der die verschiedensten Dinge ausgedrückt werden können. Er forderte die Teilnehmer auf, aus ihrem Set einen Turm zu bauen. Ziel war, zu demonstrieren, dass die 30 Forums-Teilnehmer 30 verschiedene Türme konstruiert haben und demnach 30 verschiedene Lösungswege für eine Aufgabe entstanden sind. Übertragen auf ein Getriebe etwa entstehen auf diese Weise sehr viele mögliche Lösungen.

Nicht nur zur Förderung der Kreativität von Kindern geeignet: Die Innovationsmethode Lego Serious Play verbindet als moderierter Prozess die Vorzüge des Spiels und des Modellierens mit unternehmerischen Belangen.

Wie agile Methoden wie Scrum, Kanban oder Design Thinking auch für die Entwicklung von Hardware effizient eingesetzt werden können, erläuterte Michael Ristau, Geschäftsführer MR360. Denn agile Methoden eignen sich insbesondere dann, wenn man noch nicht genau weiß, welcher Weg zum Ziel führt. Die verschiedenen Methoden sind für die Entwicklung eines jeden Produkts geeignet, Basis für gutes Gelingen ist aber ein bewusster Umgang miteinander im Team. „Besonders wichtig bei der agilen Entwicklung ist das Mindset. Werte wie Vertrauen, Anpassung, Flexibilität oder Selbstorganisation sind wichtige Prinzipien der agilen Methoden, die im Agilen Manifest aus dem Jahr 2001 beschrieben sind“, so Ristau.

Ob sich „methodisch“ und „Kreativität“ gegenseitig ausschließen, war Thema des dritten Beitrags im Forum Innovationsmethoden von Dr. Adunka, Triz Consulting Group. Die Theorie des erfinderischen Problemlösens Triz, die ihr Hauptaugenmerk auf der Mechanik hat, findet für ein allgemeines Problem eine allgemeine Lösung. Als Beispiel führte Dr. Adunka folgendes an: Wenn wir barfuß auf spitzen Steinen laufen, tut das weh. Wenn wir eine Schutzschicht zwischen unsere Füße und die Steine in Form eines Schuhs bringen, ist das Problem gelöst. Gleiches geschieht bei technischen Produkten: Wenn irgendwo ein Tropfen auf ein Bauteil fällt, kann eine Lösung eine keramische Schutzschicht sein. Die Methode eignet sich für ganz konkrete technische Fragestellungen – ein sehr bekanntes Beispiel für ein innovatives Produkt, welches mithilfe der Triz-Methode entwickelt wurde, ist das Galaxie-Getriebe von Wittenstein.

Praxisforum 4: Clever konstruieren

Welche Möglichkeiten es gibt, um mehr Automatisierung der Aufgaben in der Konstruktion zu erreichen, war Thema des vierten Praxisforums.

Dabei wurde zunächst eine Lösung für das automatisierte Optimieren von Produkten im CAE-Bereich vorgestellt. Das Unternehmen CAE Innovative Engineering hat in der Vergangenheit entscheidend zur Digitalisierung verschiedener Unternehmen beigetragen. Sei es durch die Implementierung von Engineeringsoftware, Produktdatenmanagement-Systemen oder durch die Weiterbildung von Ingenieuren. Dabei stellten die CAE-Experten fest, dass Digitalisierung mehr ist als nur Hard- und Software: Smartes Engineering funktioniert erst dann, wenn digitale Tools auch optimal genutzt werden. Benjamin Thiele, Senior Sales Manager bei der CAE Innovative Engineering GmbH, zeigte in seinem Vortrag, wie bisherige Denk- und Handlungsmuster in Innovationsworkshops, Design2Cost-Projekten und Engineering-Beratungsprojekten aufgebrochen und neue Innovationsmethoden in Unternehmen etabliert werden können.

Wie Konstruktionswissen effizient genutzt und wiederverwendet werden kann, stellte Tobias Grebe, Leitung Konfigurationslösungen bei der Coffee GmbH, dar. Viele Unternehmen stehen heute vor der Herausforderung, individuelle und personalisierte Produkte innerhalb kürzester Zeit herzustellen – und das zu einem fairen Preis. Dabei unterstützen Automationslösungen wie Driveworks, die in die CAD-Software Solidworks integriert ist. Unternehmen können damit mit simplen, eindeutigen Regeln und Entscheidungslogik ihr gesamtes Wissen zu Konstruktion, Fertigung und Kostenkalkulation erfassen und wiederverwenden sowie immer wieder neue Variationen ihrer Konstruktionen mit Angebotsdokumenten generieren.

Coffee hat die Automationssoftware Drive-Works vorgestellt. Drive-Works ermöglicht es Unternehmen zeitsparend individuelle Produkte anzubieten, die ähnlich, aber nicht gleich sind.

Der dritte Vortrag stellte eine Lösung vor, mit der Konstrukteure dank KI schnell von der Freihandskizze zum optimierten Bauteil kommen. Das Tool wurde im Rahmen eines Forschungsprojektes am Stuttgarter Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design entwickelt und stellt einen neuen Ansatz für die einfache und frühzeitige Berücksichtigung von leichtbaugerechten Strukturen dar. Basierend auf einer Freihandskizze optimiert eine künstliche Intelligenz Bauteile hinsichtlich ihrer Topologie. Dazu fotografiert der Konstrukteur seine zweidimensionale Freihandskizze und erhält in Echtzeit einen Optimierungsvorschlag – wie Enno Garrelts vom Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design der Universität Stuttgart erläuterte.

Der Konstrukteur fotografiert eine zweidimensionale Freihandskizze und erhält in Echtzeit einen Optimierungsvorschlag für die leichtbaugerechte Umsetzung von Bauteilen.

Nach den Praxisforen trafen sich die Teilnehmer noch einmal im virtuellen Plenum. Der letzte Vortrag des Smart Engineering Days behandelte die neue Denkweise „Systems Thinking“. Dabei trifft Systems Engineering auf die klassischen Produktentwicklungsdisziplinen, Organisationen und Menschen. Ziel ist es, Entscheidungen schon auf Konzeptebene zu ermöglichen. Wie das funktioniert, hat Yannick Vogel von Dassault Systèmes erläutert.

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