Digitale Revolution: Der Status Quo der Fertigungsindustrie

Digitale Revolution: Aufregende Zeiten sind oft auch schwierige Zeiten. Nach der Überwindung einer weltweiten Pandemie müssen sich die Unternehmen mit neuen Arbeits- und Kooperationsformen auseinandersetzen und lernen, mit unterbrochenen Lieferketten umgehen zu können. Außerdem bringt die Innovation ihre eigenen Herausforderungen mit sich. Intelligentere Produkte erhöhen die Komplexität von Produktdesign, Produktion und Service, was durch die Forderung nach mehr Personalisierung und Anpassungsmöglichkeiten der Produkte noch verstärkt wird. Während die Unternehmen versuchen, den Anforderungen des modernen Marktes gerecht zu werden, müssen sie auch umfassende Nachhaltigkeitsansätze entwickeln. Diese Ansätze umfassen die globalen Lieferketten, die Produktentwicklung, die Herstellungsprozesse und das Ende des Lebenszyklus.

Hindernisse überwinden für die digitale Revolution

Es ist klar, dass wir auf unserem Weg in die Zukunft noch einige Hindernisse zu überwinden haben; es gibt jedoch viel Grund zum Optimismus. Die sich abzeichnende digitale Revolution wird Unternehmen dabei helfen, innovativer, nachhaltiger, wider­standsfähiger und sogar profitabler als bisher zu werden. Die Digitalisierung auf Unternehmensebene und die Schaffung eines umfassenden digitalen Zwillings erleichtern das Umschiffen dieser Hindernisse. Sie verbinden Teams und Ideen miteinander, beschleunigen die Entwicklung fortschrittlicher Produkte und ermöglichen mehr Effizienz und Produktivität über den gesamten Lebenszyklus hinweg.

Bei der Digitalisierung beziehungsweise der digitalen Transformation geht es darum, digitale Fäden zwischen isolierten oder disparaten Daten- und Funktionsbereichen zu knüpfen. Genau an diesen Schnittstellen liegt die größte Chance für Innovationen, um mehr Leistung, Nachhaltigkeit und Effizienz zu erreichen.

Realisierung der digitalen Zukunft

Im Folgenden werden die einzelnen Phasen der Produktentwicklung beleuchtet, um zu veranschaulichen, wie die digitale Transformation Unternehmen in allen Branchen dabei helfen kann, ihre Ziele zu erreichen. Zunächst ist es wichtig, die Rolle des modellbasierten Systems Engineering (MBSE) bei der Realisierung eines solchen umfassenden, digitalisierten Ansatzes zu erkennen. MBSE ist der Ausgangspunkt für die innovativen und intelligenten Produkte von heute. Da Produkte und Programme immer komplexer werden, ermöglichen MBSE-Tools der nächsten Generation eine nahtlose Interoperabilität der Modelle während der Produktentwicklung und des gesamten Lebenszyklus. MBSE verbindet alle Datenquellen und Experten, um einen umfassenden digitalen Zwilling des Produkts zu erstellen. Es geht darum, Entwicklung, Fertigung und sogar externe Zulieferer miteinander zu vernetzen und in jedem Entwicklungsschritt Mehrwert zu schaffen.

So können alle Bereiche, die für die Entwicklung eines komplexen Produkts erforderlich sind, synchron bleiben. Bei der Konzeption eines neuen Produkts greifen Systemarchitekten mit MBSE auf Modelle aus früheren Produktiterationen zu, leiten schnell und sicher neue Funktionen ab und entwerfen neue Designs. Die daraus resultierende Produktarchitektur ist die Basis eines digitalen Zwillings, der schließlich alle Aspekte des Produkts umfasst. Im nächsten Schritt bietet eine MBSE-Lösung den verschiedenen Disziplinen der Produktentwicklung – Elektrik, Mechanik, Software und Verbindungstechnik – die Flexibilität, ihre Systeme zu definieren und zu optimieren, während sie gleichzeitig die Schnittstellen zwischen diesen Systemen gemeinsam entwickeln. Diese „Single Source of Truth“ des digitalen Zwillings ermöglicht eine frühere und kontinuierliche Überprüfung und Validierung der übergreifenden Produktarchitektur, selbst wenn der Entwurf in die Fertigung und schließlich in die reale Welt übergeht.

Digitale Revolution beginnt mit dem umfassenden digitalen Zwilling

MBSE bietet Teams einen Weg, innovative und intelligente Produkte von morgen zu entwickeln und gleichzeitig höchste Qualität zu gewährleisten. Letztlich geht es darum, all diese digitalen Assets mit dem Produkt im Feld zu verbinden und so einen umfassenden digitalen Zwilling zu schaffen, der ein virtuelles Abbild des Produkts „wie es ist“ bietet. Diese als digitale Fäden bezeichneten Verbindungen erstrecken sich über den gesamten Produktlebenszyklus – von der Definition bis zur Leistung im Feld. Sie stellen sicher, dass Daten über das Produkt, seine Eigenschaften, Leistung oder Funktionalität im Feld bis zu seiner Definition, Konstruktion, Herstellung und Unterstützung während seiner Lebensdauer zurückverfolgt werden können.

Der Business Case für die Investition in einen solchen digitalen Zwilling ergibt sich aus Daten und digitalen Fäden: Ein unbehinderter Datenfluss von der anfänglichen Definitions- und Konzeptphase bis hin zum Produkt im Feld ermöglicht schnellere Produktinnovationen durch verbesserte bereichsübergreifende Zusammenarbeit. Hinzu kommen weniger Fehler, die zu den Entwicklungskosten beitragen, und eine Fülle von Informationen und Erkenntnissen aus realen Produktnutzungsdaten. Kurzum, ein Unternehmen kann seine Ressourcen effizienter einsetzen, fundiertere Entscheidungen treffen und flexibler auf dynamische Marktanforderungen reagieren. Sehen wir uns nun an, wie sich dies heute gestaltet.

Definitionen und Produktentwicklung

Die Digitalisierung der Produktdefinition und -entwicklung beinhaltet die Erfassung von Anforderungen, Zielen und Konzepten für das Produkt in einem digitalen Format, das nachvollziehbar und verwaltbar ist. Ein solches Format bietet eine „Single Source of Truth“, die nicht nur den Produktentwurf, sondern auch Verifizierungs- und Validierungsprogramme, den Fertigungsentwurf, die Materialauswahl und vieles mehr leitet. Im Zeitalter intelligenter, komplexer und nachhaltiger Produkte sind die Anforderungen zahlreicher und vielfältiger denn je.

Nehmen wir zum Beispiel das autonome Fahrzeug (AV). Selbst ein teilautonomes Fahrzeug – sei es ein Pkw, ein Flugzeug oder ein fahrerloses Transportsystem (FTS) – stellt eine Reihe von Anforderungen in Bezug auf Sicherheit, Rechenressourcen, Konnektivität sowohl intern als auch mit externen Systemen, Wärmemanagement und Energieverbrauch. Konstruktions- und Ingenieurteams müssen Wege finden, all diese Anforderungen in einem Fahrzeug zu vereinen, das nahezu fehlerfrei funk­tioniert, oft mit fortschrittlichen Merkmalen und Funktionen ausgestattet ist und ein hochwertiges Benutzererlebnis bietet.

Intelligentes, digitales Format

Ein umfassender digitaler Zwilling ist perfekt auf die Anforderungen der modernen Produkte von morgen abgestimmt. Die Produktanforderungen werden in einem intelligenten, digitalen Format erfasst, das Produkte während ihres gesamten Lebens­zyklus begleitet. Gleichzeitig ermöglicht die im digitalen Zwilling integrierte Kon­struktionssoftware eine bereichsübergreifende Zusammenarbeit, eine frühzeitige Überprüfung und Validierung der Kon­struktion durch Simulation und die Möglichkeit, die beste von zahlreichen Konstruktionsalternativen schneller zu bewerten und auszuwählen. Konstrukteure können in Teams zusammenarbeiten, um die besten Lösungen zu finden, was zu fortschrittlichen und interessanten Produkten führt. MBSE ermöglicht die Nachverfolgung von Entwurfsiterationen, Funktionsmodellen, Testergebnissen und vielem mehr und verbindet sie mit den ursprünglichen Produktdefinitionen und -anforderungen.

Digitale Revolution für die Produktion von morgen

Mit dem Eintritt in die Produktionsphase der modernen Produktentwicklung ergeben sich weitere Herausforderungen und Möglichkeiten. Komplexe Produkte erfordern oft komplexe Fertigungsprozesse, was die Kosten und den Zeitaufwand für die Produktion erhöht. Der Trend zur Produktindividualisierung erhöht die Komplexität noch weiter, da die Hersteller immer flexiblere und autonomere Produktionssysteme entwickeln müssen, um die Nachfrage zu befriedigen. Und nicht zuletzt sollen die Unternehmen all dies mit weniger Ressourcen, weniger Energie und nachhaltigeren Materialien erreichen. Jede Her­ausforderung stellt auch eine Chance dar, denn neue Technologien und neue Methoden können Unternehmen helfen, effiziente, flexible und zuverlässige Produktionssysteme zu schaffen.

Eine dieser Technologien ist die additive Fertigung (Additive Manufacturing – AM). Die additive Fertigung ist schneller und flexibler als herkömmliche Herstellungsverfahren wie der Spritzguss, da viele Beschränkungen der traditionellen Verfahren nicht zum Tragen kommen. Die Flexibilität der additiven Fertigung macht sie zu einem potenziellen Segen für Hersteller, die hochgradig personalisierte Produkte für ihre Kunden herstellen wollen. Die geringeren Beschränkungen ermöglichen es Konstrukteuren, Produkte neu zu konzipieren, um neue Technologien oder Design-Philosophien zu integrieren. Mit AM lassen sich beispielsweise komplexe Gitterstrukturen drucken, die die strukturelle Steifigkeit aufrechterhalten und gleichzeitig die thermische Leistung verbessern sowie das Gewicht reduzieren. Dies bedeutet, die Hersteller können leistungsfähigere Produkte herstellen und ihre Kunden besser bedienen, während sich gleichzeitig der bei der subtraktiven Produktion entstehende Abfall reduziert.

Integrierter digitaler Zwilling entscheidend

Auch hier ist die Digitalisierung der Schlüssel für die Einführung von AM und anderen fortschrittlichen Fertigungstechnologien wie automatisierten Logistiksystemen und dem Industriellen Internet der Dinge (IIoT). Für AM ist ein eng integrierter digitaler Zwilling entscheidend, um Qualitätsprodukte zu erhalten und gleichzeitig die Anzahl der Design-Iterationen zu minimieren. Vor dem Druck müssen die Entwürfe ausführlichen Drucksimulationen unterzogen werden, um Risiken zu minimieren, den Druck zu optimieren und so die Ausbeute zu verbessern. Auf Anlagen-Ebene ermöglicht die Digitalisierung von Produktionslinien die Überwachung von Maschinen, die vorausschauende Wartung und die Analyse ganzer Produktionsprozesse zur Optimierung der Materialzufuhr oder des Linienausgleichs.

Auch die Digitalisierung des Lieferkettenmanagements spielt hier eine Rolle. Die globale Pandemie hat einige Risse im aktuellen Aufbau und der Verwaltung der Lieferketten aufgedeckt. Glücklicherweise kann uns die Digitalisierung dabei helfen, aus dieser Situation Nutzen zu ziehen, indem sie Türen für die Kommunikation und Zusammenarbeit zwischen OEMs, Zulieferern und Partnern im Ökosystem der Lieferkette öffnet. Innerhalb eines solchen vernetzten Ökosystems können alle Parteien Informationen austauschen und Ergebnisse vorhersagen, um Unterbrechungen bei der Lieferung von Rohstoffen oder Unterbaugruppen zu vermeiden.

Vor-Ort-Unterstützung und End-of-Life

Unternehmen machen sich Gedanken dar­über, wie sie ihre Produkte am besten im Feld unterstützen können und wie sie mit diesen Produkten am Ende ihres Lebens­zyklus umgehen. Support-Verfahren, ob physische Reparaturen oder Software-Updates, sind der Schlüssel zur Sicherstellung eines langfristigen Werts – sowohl für den Hersteller als auch für seine Kunden. Dieser Wert lässt sich durch die Verbindung der Produkte mit dem digitalen Faden noch erweitern, indem die Daten­erfassung und die Optimierung im Feld ermöglicht werden. Diese Daten ermöglichen Vorhersagen, wann man Produkte warten und pflegen muss, anstatt sich auf allgemeine Zeitpläne zu verlassen. Schließlich lässt sich anhand der Daten erkennen, wann ein Produkt das Ende seiner Lebensdauer erreicht hat und durch ein neueres Modell ersetzt werden sollte.

Verfahren für das Ende des Lebenszyklus sind auch in Zukunft wichtig, da die Industrie nach Nachhaltigkeit und Rentabilität strebt. Wenn Produkte das Ende ihrer Lebensdauer erreichen, ist das Recycling oder die ordnungsgemäße Entsorgung von Materialien entscheidend für die Verringerung der Umweltauswirkungen eines Produkts. Wenn diese recycelten Materialien wieder in die Produktion einfließen können, sei es beim ursprünglichen Hersteller oder anderswo, kann der Vorteil noch größer sein. Neben der Materialrückgewinnung ermöglicht die Analyse ausgemusterter Produkte wichtige Erkenntnisgewinne. Diese Erkenntnisse fließen in den digitalen Zwilling neuer Modelle ein, wodurch ein Kreislauf des Lernens und der Produkt­verbesserung entsteht.

Digitale Revolution: Mit dem richtigen Partner gelingt es

Auf dem Weg in diese Zukunft ist Siemens hervorragend positioniert, um seine Kunden bei der digitalen Transformation erfolgreich zu unterstützen. Das Xcelelator-Portfolio von Siemens Digital Industries Software zielt darauf ab, den Nutzen von Daten und Wissen zu erschließen, indem eigenständige Bereiche in eine kollaborative Umgebung integriert werden – personalisiert und anpassbar an die spezifischen Anforderungen der jeweiligen Branche. Siemens hat dazu beigetragen, digitale Fäden zwischen zuvor unverbundenen Daten- und Funktionsbereichen zu knüpfen, wodurch sich neue Möglichkeiten für Innovationen, die digitale Revolution sowie eine höhere Leistung, Nachhaltigkeit und Effizienz ergeben.

Jetzt ist es möglich, ein digitales Unternehmen zu schaffen, das in jeder Phase des Produktlebenszyklus einen Mehrwert schafft: zwischen Design und Fertigung, zwischen Elektrik und Mechanik, zwischen Feld und Fabrik, zwischen OT und IT. All dies hilft Industrieunternehmen, die Zukunft ihres Geschäfts zu gestalten und gleichzeitig bereits heute außergewöhnliche Produkte zu liefern.

Der Autor Dale Tutt ist Vice President of Industry Strategy bei Siemens Digital Industries Software.

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