Digitale Produktentwicklung

Mit Digitalisierung Produkte und Prozesse optimieren

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Joachim Zoll, Leiter des Geschäftssegments Machine Tools Systems bei Siemens, beschreibt anschaulich, wie beispielsweise Maschinenbauer von einem solchen digitalen Zwilling profitieren können: "Da alle relevanten Konstruktionsdaten der Maschine digital vorliegen, kann ein virtuelles Maschinenmodell – ein sogenannter digitaler Zwilling – der auszuliefernden Maschine erstellt werden. Dies ermöglicht dem Maschinenbauer, den Maschinenentwicklungsprozess direkt virtuell zu beginnen, ohne ein Stück Mechanik in die Hand zu nehmen, und so gezielt und einfach auf Kundenwünsche einzugehen."

Digitaler Zwilling optimiert die Produktionsplanung

Der digitale Zwilling dient nicht nur als "Ersatz" eines realen Prototypen. Vielmehr fließt er auch in die Produktionsplanung mit ein, die ebenfalls digital erstellt wird. Sind die Parameter (Produktgrößen, Taktzeiten, Entfernungen) einzelner Produktionskomponenten vorhanden, kann anhand entsprechender Software wie Tecnomatrix von Siemens oder Delmia von Dassault Systèmes die komplette Fertigung von der Planung über Werkzeuge und Ressourcen bis hin zu Fertigungskapazitäten und Kosten digital aufgebaut werden.

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Die Fertigung an sich ist der höchste Kostenfaktor in einem Unternehmen und umfasst sowohl Fertigungsmittel, Arbeitskosten und die Produktionsstätten als auch die Fertigungsplanung sowie den Prototypen- und Modellbau. Hier können sich durch Maßnahmen hinsichtlich Digitalisierung und Virtualisierung hohe Einsparpotenziale ergeben.

Anhand der vorhandenen Daten und des Hallenlayouts lassen sich schnell Simulationen unterschiedlichster Konstellationen durchführen, aber man kann auch berechnen, wie beispielsweise Störungen den Ablauf beeinflussen oder wie sich die Effizienz steigern lässt. Auf diese Art und Weise können viele Konzeptvarianten geprüft werden, um die günstigste oder die leistungsfähigste auswählen zu können. Ohne digitale Modelle wären solche Optimierungen kaum möglich oder würden sehr viel Zeit und Kosten in Anspruch nehmen.

Mit virtueller Inbetriebnahme Zeit und Geld sparen

Weitere Zeit lässt sich vor allem mit einer virtuellen Inbetriebnahme einsparen, die in der realen Umgebung bis zu 20 Prozent der Projektzeit umfassen kann. Am längsten dauert die vollständige Programmierung beziehungsweise die Fehlerbehebung in der Steuerungssoftware. Gerade hier kann man mit der virtuellen Inbetriebnahme viel Zeit einsparen, weil bereits in der Konstruktionsphase mit der Arbeit begonnen werden kann.

Dafür wird ein Simulationsmodell der gesamten Fertigungslinie erstellt und diese virtuelle Welt dann an das reale oder ebenfalls virtuelle Steuerungssystem angeschlossen. So können mögliche Fehlerquellen schneller ausfindig gemacht und Schwachstellen im System erkannt werden und die Produktion kann schneller anlaufen. Außerdem sind Tests möglich, die in der Realität schwierig oder unmöglich sind, weil entweder Maschinen beschädigt oder Menschen verletzt werden könnten.

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In Kürze: Vorteile der virtuellen Inbetriebnahme
  • Die benötigte Zeit und Anzahl nicht mehr nutzbarer Prototypen werden reduziert.
  • Fehlerbehebung ist weniger kostenintensiv, da Fehlerquellen früher erkannt werden
  • Die Softwarequalität wird verbessert.
  • Schwachstellen im System, die die Leistung senken, können erkannt werden.
  • Die für die Inbetriebnahme erforderliche Zeit wird häufig um bis zu 50 % reduziert.
  • Gleichzeitiges ausführen der Simulation mit dem Engineering sorgt für eine höhere Engineering-Qualität.
  • Weniger Re-Engineering und eine kürzere Zeit für die Inbetriebnahme reduzieren die Personalkosten.
  • Es sind Tests möglich, ohne dass Maschinen oder Ausrüstung verfügbar sind oder Anlagenpersonal beteiligt ist. Das verringert die Risiken einer Inbetriebnahme vor Ort, mögliche Störungen führen nicht zu schwerwiegenden Konsequenzen.

Michael Messerschmidt von Heitec erklärt im Interview die Vorteile der virtuellen Inbetriebnahme

Mit Delmia Automation zur virtuellen Inbetriebnahme

Die Simulation ist nicht nur für die komplette Anlage möglich. Auch Teile wie Roboterzellen oder Bearbeitungszentren ermöglichen mithilfe ihres virtuellen Abbildes eine vorgelagerte, virtuelle Inbetriebnahme. Joachim Zoll: "Hier wird das virtuelle Maschinenmodell mit der realen Steuerungstechnik verbunden. Die Maschinenentwürfe sowie die Interaktion zwischen CNC und der Maschine können also unter realen Bedingungen im Detail getestet werden."

Produkt im Einsatz meldet Fehler an die Produktentwicklung zurück

Ist das Produkt auf dem Markt, hat der Hersteller oft aus verschiedenen Gründen ein Interesse daran, zu erfahren, wie der Kunde das Produkt nutzt und welche Probleme sich aus dieser Nutzung heraus ergeben. Schon heute ist es oftmals keine Zauberei, Nutzerdaten und Nutzerprofile zu erzeugen beziehungsweise zu erhalten – man denke nur an den erst kürzlich aufgetretenen Fall, als ein Nutzer des Carsharing-Dienstes BMW Drivenow in einen Unfall verwickelt war und BMW im Gerichtsverfahren plötzlich ein Bewegungsprofil des Fahrers vorlegte. Angesichts der integrierten Software und Sensorik ist es, abgesehen vom Datenschutz, kein Problem mehr, die Produkte technisch regelrecht zu "überwachen".

Das muss nicht den negativen Eindruck hinterlassen, den das Beispiel von BMW vielleicht erzeugt. Der Elektrofahrzeughersteller E.Go, eine Ausgründung der RWTH Aachen, hat für die Zukunft andere Pläne, denn er will die Daten einsetzen, um dem Fahrer einen tatsächlichen Mehrwert zu bieten. Zur Zeit arbeitet das junge Unternehmen an einem finanzierbaren, praktischen Elektroauto für den Alltag. Das Cockpit wird mit Unterstützung von PTC entwickelt und geht über die reine "Informationsvermittlung" an den Fahrer hinaus.

Tritt an einem solchen Fahrzeug ein Problem auf, erhält beispielsweise der Servicepartner des Elektroautos eine Meldung auf sein Smart Device – inklusive GPS-Daten, um zum Fahrzeug zu finden. Eine App ermöglicht es, vor Ort durch einen Code das Produkt mit einem Tablet oder einer Datenbrille zu scannen, zu erkennen und den Fehler auszulesen.

Anhand dieser Informationen erhält der Servicetechniker nun eine virtuelle Anleitung, um den Defekt zu beheben: Mit dem Smart Device wird er in einer virtuellen Welt über die integrierte Kamera angeleitet, wohin er gehen und welche Arbeitsschritte er durchführen muss.

Ist diese Arbeit abgeschlossen, kann der Fehler, wenn einer Datenweitergabe eingewilligt wurde, gemeldet werden. Tritt das gleiche Problem häufiger auf, wird die Produktentwicklung informiert, um entsprechende Änderungen vorzunehmen. Kommen beispielsweise gehäuft Lagerschäden vor, müssen die Konstrukteure überprüfen, ob die Lager vielleicht falsch ausgelegt wurden oder die Fahrer das Fahrzeug anders nutzen als im Engineering angenommen.

Bestehende Produkte verbessern

Auf diese Weise lassen sich bestehende Produkte verbessern, indem Informationen aus der Nutzung wieder zurück in die Entwicklung fließen. Ähnlich arbeitet Miele bereits heute, wie Dr. Eduard Sailer, technischer Geschäftsführer, erklärt. Mit den Daten, die Miele zum Beispiel von seinen Gefriergeräten erhält, wird das Unternehmen Informationen über das Nutzungsmuster bei verschiedenen Lebensmitteln sammeln. Doch auch hier ist man sich des Datenschutzes bewusst. Sailer: "Solche Daten an Dritte weiterzugeben, würde unserem Prinzip widersprechen, dass der Kunde das Recht hat, die Nutzung der zu ihm gehörenden Daten selbst zu steuern."

Ein digitaler Workflow in der Produktentwicklung hat das Potenzial, die Einführung neuer Produkte zu beschleunigen und die Qualität bestehender Produkte zu optimieren. Damit würden sich die Unternehmen auch einer der größten Herausforderungen bei der Umsetzung von Industrie 4.0 stellen können: der Prozess- und Arbeitsorganisation (siehe "Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0" der Acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften e. V. und des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz, S. 29).

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Über den Autor

 Stefanie Michel

Stefanie Michel

Journalist, MM MaschinenMarkt