Engineering Wie ein Zahnrad perfekt ins nächste greift

Durchgängig virtuelles Engineering ist eine Voraussetzung für Industrie 4.0. Dazu sind interdisziplinäre Methoden wie das modellbasierte Systems Engineering nötig – Ärmel hochkrempeln und Loslegen reicht nicht mehr.

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Konstruktion und Produktentwicklung sind Basis für Innovation und dabei selbst ständigem Wandel unterworfen.
Konstruktion und Produktentwicklung sind Basis für Innovation und dabei selbst ständigem Wandel unterworfen.
(Bild: ninog - Fotolia; © www.pelzinger.de)

Produktentwicklung im Zeitalter von Industrie 4.0 bringt einige neue Anforderungen mit sich: Konstrukteure und Entwickler arbeiten nicht mehr nur an Einzelteilen. Sie entwickeln Module, die Sensorik, Elektronik und Mechanik beinhalten und müssen dabei auch schon den vollständigen Produktlebenszyklus im Kopf haben.

Diesen Anforderungen kann nur eine flexible Produktentwicklung mit virtuellem Engineering gerecht werden. Denn Ingenieure müssen heute immer komplexere Produkte entwickeln, in denen Software sowie elektrische und mechanische Komponenten eng miteinander verknüpft sind. Sie müssen also lernen, über die Grenzen ihrer eigenen Kernkompetenzen hinaus interdisziplinär zu denken, um die vielfältigen Schnittstellen zwischen den einzelnen Fachrichtungen zu sichern.

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Stille Revolution der Arbeitsweise

Dazu ist laut Volker Lippitz, Principal Consultant bei der Technologie- und Innovationsberatung Invensity, allerdings eine völlig neue Arbeitsweise nötig: „Bis vor zehn Jahren krempelte der klassische Ingenieur einfach seine Ärmel hoch und begann zu arbeiten. Dieses informelle Arbeiten rein im eigenen Aufgabenbereich funktioniert heute nicht mehr“, erklärt Lippitz. Der Experte weist darauf hin, dass nahezu unbemerkt eine Art stille Revolution der Arbeitsweise in der Industrie in Kraft trat: „Heute mehr denn je sind Unternehmen gezwungen, ihre Produkte besser, schneller und kostengünstiger zu liefern. Darüber hinaus werden die Produkte durch interdisziplinäre Herausforderungen immer komplexer.“

Gesamtverhalten betrachten

Dies bestätigt auch Prof. Dr.-Ing. Rainer Stark, Bereichsleiter des Geschäftsfeldes Virtuelle Produktentstehung am Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK: „Eine zunehmende Anzahl von technischen Produktinnovationen sind nur noch durch massive Informationsverarbeitung während des Produktbetriebs zu erreichen. Dabei ist jedoch nicht nur ein Softwarecode auszuführen, sondern das Verhalten des gesamten technischen Systems, d.h. dem dynamischen Zusammenspiel aus klassischer Mechanik, Hydraulik/Pneumatik und Elektrik mit dem Regelentwurf aus Elektronik und Softwarecode.“ Ein Auto durchziehen heute ca. 100.000.000 Zeilen Code. Nur wenige Zeilen fehlerhafter Code können für alle Fachrichtungen in der Automobilproduktion enorme Folgen nach sich ziehen: So ist es etwa möglich, dass ein Auto bei einer Vollbremsung das Lenkrad unvermittelt nach links dreht; auch das Zündschlossproblem bei General Motors sei als Beispiel genannt.

PLM weiter vorantreiben

Daher sind aktuelle Methoden der virtuellen Produktentwicklung und des modell-basierten Systems Engineerings von immenser Bedeutung. Laut Prof. Stark haben virtuelle Werkzeuge in den meisten Unternehmen bereits Einzug gefunden, z.T. jedoch noch immer auf Basisniveau. „Der Einsatz von CAD ist zwar Standard geworden, nicht jedoch die intelligente Nutzung der methodischen Technologien wie parametrisch assoziative Konstruktion oder wissensbasierte Templates. Die Erweiterung des Einsatzes virtueller Werkzeuge in komplette virtuelle Entwicklungsprozessketten im Sinne des Produktlebenszklus Managements (PLM) ist weiterhin ein großes Problem, da viele der Abteilungs- und Bereichsleiter in den Entwicklungsarbeiten diese gesamtheitlichen Potentiale nur selten erkannt haben.“ An dieser Steller herrsche also enormer Handlungsbedarf. Deshalb wurde dafür die Ausbildung PLM Professional aufgesetzt.

Mehr Funktionen im Produkt

Eine weitere Herausforderung sieht Prof. Stark darin, dass Konstrukteure und Entwickler zunehmend die Produktdienstleistung mit bei der Produktentwicklung berücksichtigen müssen. Dienstleistungsentwicklungen seien bisher aber eher „böhmische Dörfer“ für die klassischen Ingenieure. Die Ausbildung als Lösungsentwickler von Produkt-Service-Systemen steckt in Deutschland noch immer in den Kinderschuhen. Einen weiteren Aspekt gibt Karl Osti, Industry Manager Manufacturing bei Autodesk, zu bedenken: „Hersteller müssen in Zukunft stärker die Funktion berücksichtigen. Sie müssen nicht nur ein Einzelteil herstellen, sondern Module, welche Sensorik, Elektronik und Mechanik beinhalten. Wo früher einfache Komponenten geliefert wurden, müssen nun Themen wie das Humane Machine Interface mitgedacht werden. Dieser integrierte Ansatz macht die Herstellung deutlich komplexer und erfordert zusätzliche Expertisen oder Partnerschaften.“ Dafür will das Unternehmen seinen Kunden Software-Tools zur Verfügung stellen, die sie dazu befähigen, sich an die neuen Gegebenheiten anzupassen und die damit einhergehenden Anforderungen zu lösen.

Prozesse müssen neu strukturiert werden

Dies betrifft auch Haushaltsprodukte, wie Peter Scheller, Marketing Director NX bei Siemens PLM Software, an einem guten Beispiel veranschaulicht: Früher war ein Kühlschrank einfach ein Kühlgerät mit dem Zweck, Dinge zu kühlen. Die heutige Technologie macht einen „smarten“ Kühlschrank möglich, der selbst für seinen Inhalt sorgt und Bestellungen auslöst. Dafür sind natürlich Sensoren und intelligente Software nötig, die der Konstrukteur bedenken und planen muss – er muss also laut Scheller übergreifend nach den Methoden des Systems Engineering konstruieren.

Für Andreas Barth, Managing Director Euro Central bei Dassault Systèmes, ist klar dass die Zeiten des linearen Innovationsprozesses, bei dem Konstruktion, Produktion etc. nacheinander abgearbeitet werden, vorbei sind. „Für Unternehmen bedeutet das, dass sie ihre Arbeits- und Produktionsprozesse neu strukturieren und flexibel gestalten müssen – der CAD-Bereich spielt dabei eine zentrale Rolle. Alle Mitarbeiter müssen ihren Beitrag leisten und interdisziplinär denken und agieren,“ so Barth. Nur so lasse sich eine eng verzahnte, durchgängige Prozesskette realisieren, die das volle Potential einer virtuellen Produktentwicklung ausschöpft.

Der digitale Zwilling schafft Abhilfe

Dieser Prozess trägt bei Siemens PLM Software einen eigenen Namen: der digitale Zwilling. Mit diesem virtuellen und wahrheitsgetreuen Abbild eines physischen Produkts können Kostensenkungen über die ganze Wertschöpfungskette hinweg erreicht werden – lesen Sie mehr dazu in unserem Fachartikel ab Seite 52. Darüber hinaus ist für Scheller die durchgängige Digitalisierung und dadurch die gesamthafte Simulation ein großer Trend. Siemens PLM Software bietet nicht zuletzt durch die Akquise von LMS ausgereifte Simulationstools. „Mithilfe der Simulation können wir ein wahrheitsgetreues Abbild aller Produktfunktionalitäten erzeugen, notfalls schnell reagieren und sorgen so für effiziente Entwicklungsprozesse mit Planungssicherheit,“ so Scheller.

Smart Data für digitale Modelle

Auch für Prof. Stark ist klar, welche Methoden benötigt werden, um die Herausforderungen, die derzeit durch neue Technologien wie Industrie 4.0 bzw. das Internet der Dinge zu meistern: „Eine der elementarsten Kompetenzen wird die Beherrschung der Data Analytics, Visual Analytics, der semantischen Reduzierung von Big Data auf Smart Data und die Verknüpfung dieser smarten Daten mit den intelligenten digitalen Modellen der technischen Systeme sein.“ Denn wie Barth betont, wird die im Zuge der Digitalisierung produzierte Datenmenge weiter zunehmen. „Speicherplatz ist günstig und nahezu unbeschränkt verfügbar. Die Herausforderung liegt in der team- und fachübergreifenden Verwaltung dieser Daten, um sie zu analysieren und die gewonnenen Erkenntnisse anderen Unternehmensbereichen für eine effiziente Entwicklung zur Verfügung zu stellen. Letztendlich Wissensmanagement weit über die Unternehmensgrenzen hinaus.“ Dabei unterstützen plattformbasierte Datenmanagementlösungen, wie z. B. der Landmaschinenhersteller Claas sie nutzt.

Die Konstruktion von heute ist also längst keine separat agierende Abteilung mehr – vielmehr gilt es, Produkte kollaborativ vom Entwurf bis hin zur Serienreife zu führen und dabei durchgängig alle Aspekte des Produktlebenszyklus zu betrachten. Lösungen dafür können z.B. Besucher der Hannover Messe 2016 auf der Leitmesse Digital Factory sehen.

Was in Hannover zu sehen ist

Mit der Frage, wie wir in Zukunft entwerfen, konstruieren, zusammenarbeiten und fertigen werden, beschäftigt sich Autodesk auf der diesjährigen Hannover Messe (Halle 6, Stand K15). „Dabei möchten wir die Möglichkeiten der Digitalisierung und moderner Designs in Konstruktion und Fertigung am vollständigen Workflow der Produktentwicklung anschaulich darstellen. Im Fokus steht hierbei unsere Kooperation mit Airbus“, so Osti. Gemeinsam haben die beiden Unternehmen das größte jemals in 3D gedruckte Bauteil für ein Verkehrsflugzeug konstruiert.

In Halle 6, K30 am Stand von Dassault Systèmes wird ‚Innovation durch Vernetzung‘ im Sinne von Industrie 4.0 im Mittelpunkt stehen. „Rund um die 3D-Experience-Plattform bilden wir anhand unseres Kunden Claas den gesamten Prozess der Produktentwicklung von der Ideenfindung über die Konstruktion und das Systems Engineering bis hin zur Montage und Erstellung von Marketingmaterialien virtuell ab“, erläutert Barth. Besucher des Messestandes können damit Industrie 4.0 praxisnah erleben.

Siemens PLM Software stellt den Messebesuchern in Halle 6, Stand K18 den digitalen Zwilling vor.

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