Engineering Wie der digitale Zwilling Denksilos auflöst

Soft- und Hardware sind zunehmend in der Lage, Produkte mit all ihren Eigenschaften unter realen Einsatzbedingungen zu simulieren. Auf diese Weise entsteht für jedes Produkt ein digitaler Zwilling, der die Effizienz in der kompletten Prozesskette steigern kann. Der digitale Zwilling erfordert aber, dass Ingenieure in Zukunft ihr Wissen mehr denn je teilen.

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Durch die fortschreitende Digitalisierung entstehen komplette digitale Abbilder eines realen Produkts. Damit werden Qualitäts- und Effizienzsteigerungen in allen Prozessen erreicht.
Durch die fortschreitende Digitalisierung entstehen komplette digitale Abbilder eines realen Produkts. Damit werden Qualitäts- und Effizienzsteigerungen in allen Prozessen erreicht.
(Bild: © esthermm - Fotolia)

Fast 800 Millionen vernetzte Geräte sollen im Jahr 2020 laut einer Studie von Cisco in Deutschland auf dem Markt sein – damit kommen rein rechnerisch auf jeden deutschen Staatsbürger zehn vernetzte Geräte. „Diese Geräte werden nicht alle bei uns zu Hause stehen, sondern werden unsere Städte, Fabriken und vieles andere smart machen“, sagt Oliver Tuszik, Deutschlandchef von Cisco. Die zunehmende Vernetzung sei ein Gradmesser für die Digitalisierung. Laut Tuszik wird die Digitalisierung in Deutschland in den kommenden vier Jahren an Tempo aufnehmen.

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Mit Daten den Umsatz steigern

Bis zum Jahr 2020 werden neue Geschäftsmodelle, die auf Daten basieren, mehr als zehn Prozent zum Umsatz beitragen – so schätzen deutsche Maschinenbauer die Chancen der Digitalisierung laut einer aktuellen Studie des VDMA und der Unternehmensberatung McKinsey & Company. Bisher liegt der Beitrag der Digitalisierung nur bei drei Prozent. Unternehmen erwarten durch die Digitalisierung im ersten Schritt eine Verbesserung ihrer Kostenposition um fünf bis zehn Prozent. Allerdings ist der Weg dahin noch weit: Erst ein Fünftel der befragten europäischen Unternehmen hat bereits neue Geschäftsmodelle aufgebaut, ein Drittel hat das Thema aktuell noch nicht im Fokus.

Die Welle der Digitalisierung kommt

Diese Welle der Digitalisierung wird auch die Konstruktion grundlegend verändern, sagt Prof. Michael Abramovici, Sprecher des Vorstands der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Produktentwicklung WiGeP: „Zunächst werden sich die meisten Produkte dramatisch wandeln. Sie werden komplexer, interdisziplinärer, intelligenter und mit anderen Produkten und Systemen beziehungsweise mit dem Internet vernetzt sein“, erläutert Abramovici.

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WiGeP: Eine Perspektive für den Weg zu den Produkten von morgen

Die Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktentwicklung WiGeP ist ein Kompetenznetzwerk zur Förderung von Produktinnovationen im Maschinenbau und in verwandten Branchen wie der Automobilindustrie. Ihr gehören mehr als 75 Professorinnen und Professoren an. Das Netzwerk wurde 2011 als Zusammenschluss des Berliner Kreis - Wissenschaftliches Forum für Produktentwicklung - und der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Maschinenelemente, Konstruktionstechnik und Produktentwicklung (WGMK) e.V. gegründet.

Die Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktentwicklung versteht sich als Bindeglied zwischen Hochschulen und der Industrie. Im Vordergrund steht die gemeinsame Kommunikation und Kooperation in Fragen der Forschung und Lehre im Bereich der integrierten Produktentwicklung. Der angeschlossene Industriekreis der Gesellschaft umfasst mehr als 40 Führungspersönlichkeiten renommierter deutscher Unternehmen.

Durchgängiges Engineering als Voraussetzung für Industrie 4.0

Aus dem Blickwinkel der Produktentwicklung ist durchgängig virtuelles Engineering eine Voraussetzung für Industrie 4.0, denn nur die durchgehende Digitalisierung dieser Prozesse sorgt dafür, dass die hochkomplexen und anspruchsvollen Produkte von heute überhaupt entwickelt werden können. „Die verschiedenen Disziplinen wie Mechanik, Elektronik oder Software, die ein Produkt heute ausmachen, lassen sich durch die Digitalisierung leichter vernetzen und mit den Anforderungen und den realen Leistungsdaten verbinden“, so Peter Scheller, Marketing Director NX bei Siemens PLM Software in Deutschland.

Vermehrt Wissen teilen

Längst arbeiten Entwickler nicht mehr an Einzelteilen: Sie entwickeln Module, die Sensorik, Elektronik und Mechanik beinhalten und haben im Idealfall dabei schon den vollständigen Produktlebenszyklus im Kopf. „Der Konstrukteur wird im Zuge dieser Entwicklungen mehr und mehr zum Teil eines großen Ganzen, stellt Andreas Barth, Managing Director EuroCentral bei Dassault Systèmes, fest. „Denksilos werden aufgelöst: Der Konstrukteur arbeitet nicht mehr einfach Aufträge ab, sondern nimmt Ideen auf und gestaltet sie in enger Zusammenarbeit mit anderen Teams. Im Fokus steht also nicht mehr das Besitzen und Umsetzen von Wissen, sondern vor allem das Teilen von Wissen“, führt Barth aus.

PLM vereinfacht Kollaboration

Erheblich vereinfacht und beschleunigt wurden diese Möglichkeiten der Kollaboration durch die Einführung von PLM-Tools, so Stephan Ellenrieder, Senior Vice President und Geschäftsführer Zentraleuropa bei PTC. Damit können im Konstruktionsprozess unterschiedliche, global verteilte Teams sich besser mit Informationen und Ideen versorgen. Mit der jetzt fortschreitenden Digitalisierung der Entwicklung und der Produkte selbst ergeben sich natürlich neue Möglichkeiten der Effizienzsteigerung: „Die Konstrukteure rücken näher an die Nutzung eines Produkts heran und können nun nachvollziehen, wie Produkte tatsächlich verwendet werden", erläutert Ellenrieder. „So können Produkte in ihrer Leistungsfähigkeit besser an die tatsächlichen Kundenbedürfnisse angepasst werden.“

Die Realität virtuell abbilden

Das Grundprinzip der digitalen Produktentwicklung ist die Aufteilung des Produkts und seiner Funktionen in Untergruppen, die von abstrakten bis zu detaillierten digitalen Komponenten weiterentwickelt werden. Anforderungsmanagement und System Engineering stellen sicher, dass durch das Zusammenwirken der einzelnen Komponenten das Ziel des Gesamtprodukts erreicht wird. Im Ergebnis dieser Analysen und Simulationen entsteht der digitale Zwilling des Produkts.

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Dieses digitale Modell besteht schon heute aus weit mehr als 3D-Geometriedaten. Je besser die Softwaretools vernetzt sind, desto einfacher ist es, immer mehr Produkteigenschaften zusammenzufügen und desto genauer bildet der digitale Zwilling die Realität ab. Das wahrheitsgetreue virtuelle Abbild hat besonders im Zusammenhang mit smarten Produkten große Bedeutung. Nicht verwunderlich, dass derzeit alle Global Player auf dem CAD- und PLM-Sektor daran arbeiten, die Erstellung dieser Kopie zu vereinfachen und beschleunigen.

Der digitale Zwilling stärkt den Konstrukteur

Mit der Bedeutung des digitalen Zwillings steigt laut Peter Scheller wiederum die Bedeutung des Konstrukteurs. „Wenn er sich das nötige Wissen aneignet, steigt seine Position im Unternehmen.“ Wenn auch die Beschäftigten im deutschen Maschinen- und Anlagenbau sich laut einer Studie gut gerüstet sehen für die Veränderungen, die auf sie einwirken und zukommen werden (siehe Kasten), so wird der permanenten Weiterbildung dennoch eine immer größere Relevanz zukommen. Denn neben der Grundvoraussetzung der durchgehenden Digitalisierung und Modell­orientierung aller Prozesse sieht auch Abramovici eine weitere Bedingung: „In Zukunft müssen alle Konstrukteure verstärkt in komplexen Systemen denken, sich für eine breitere interdisziplinäre Zusammenarbeit noch stärker öffnen und vor allem bereit sein, sich arbeitsbegleitend permanent weiterzubilden.“

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Stete Weiterbildung gefragt

Industrie 4.0 verändert die Arbeitswelt schon heute, aber im Zentrum steht weiterhin der Mensch, so Hartmut Rauen, stellvertretender Hauptgeschäftsführer des VDMA. „Der Qualifizierung der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter kommt daher zukünftig eine noch größere Bedeutung zu“, sagte Rauen anlässlich der Vorstellung der Studie „Industrie 4.0 – Qualifizierung 2025“. Die im Auftrag des VDMA von der Universität Hohenheim erstellte Studie kommt darüber hinaus zu dem Ergebnis, dass die Anforderungen an interdisziplinäre Zusammenarbeit, den Umgang mit Big Data und Datenschutzfragen weiter steigen werden. Aber laut Prof. Dr. Sabine Pfeiffer von der Universität Hohenheim sind die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter im Maschinen- und Anlagenbau hervorragend qualifiziert. „Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter können mit Komplexität umgehen und sind daher für Industrie 4.0 gerüstet“, betont Pfeiffer. Die Studie zeige aber auch, dass die Belegschaft kontinuierlich weiterqualifiziert werden muss.

Konstruieren für aktuelle Fertigungsmethoden

Dies gilt natürlich auch und im Besonderen für neue Fertigungsmethoden. „Manche Konstruktionsansätze sind nur für bestimmte Methoden sinnvoll“, sagt Peter Scheller. „Ein Produkt, das additiv oder hy­brid gefertigt werden soll, muss anders konstruiert werden als ein rein durch abtragende Verfahren hergestelltes.“ Wichtig seien in diesem Zusammenhang auch neue Wege, sich Wissen anzueignen, sagt Scheller und appelliert: „Unternehmen sollten sich Gedanken über digitale Bildungsstrategien machen, damit die eigenen Mitarbeiter im Wettbewerb mithalten können.“ Zudem fordert Andreas Barth, dass die Menschen mit einbezogen werden müssen: „In den Köpfen muss ein Umdenken stattfinden, ansonsten lassen sich neue Prozesse nicht einführen.“

Neue Geschäftsmodelle der digitalen Transformation

Letztlich ist es wohl keine Frage, ob ein Unternehmen auf die digitale Transformation setzt, sondern wann. Denn die wirtschaftlichen Potenziale der digitalen Transformation sind enorm. Zunächst werden sich weitere Geschäftsmodelle wie etwa das Anbieten von Produkten als Service auftun, wie Peter Scheller erläutert: „Beispielsweise könnte ein Unternehmen, das bisher Ersatzteile herstellt, künftig auf den Verkauf digitaler Modelle dieser Bauteile umsatteln. Der Kunde kauft die digitale Version und druckt das Teil selbst aus.“ Auf diese Weise entfallen natürlich Kosten für Produktion und Lagerhaltung. „Dank dieser Modernisierung – ausgelöst durch die Prozesse der Digitalisierung – können hiesige Unternehmen ihre Innovationskraft und Kreativität voll ausspielen“, sagt Karl Osti, ‎Industry Manager Manufacturing bei Autodesk. „So bleiben sie im Konkurrenzkampf mit aufstrebenden Märkten global wettbewerbsfähig und sichern zukünftige Arbeitsplätze.“ ●

* Monika Zwettler ist Redakteurin bei konstruktionspraxis

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