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2021 | OriginalPaper | Buchkapitel

3. Engineering 4.0 – Grundlagen der Digitalisierung des Engineerings

verfasst von : Martin Eigner

Erschienen in: System Lifecycle Management

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Zusammenfassung

Das Internet der Dinge und Services (IOT/IOS) sowie Industrie 4.0 gehen in der Zukunft von vernetzten Produkten, Systemen und Dienstleistungen aus. Der wertmäßige Anteil an Elektronik und Software wird bei dieser Art von Produkten und eingebetteten Dienstleistungen kontinuierlich steigen. Kommunizieren Produkte miteinander über das Internet, wird von Cyber-Physical Systems bzw. Cybertronischen Systemen gesprochen. Die Entwicklung dieser neuen Systeme wird mehrere Konsequenzen nach sich ziehen: interdisziplinäre, regional und organisatorisch verteilte sowie integrierte Produktentwicklung, ein Überdenken heutiger Konstruktionsmethoden, Prozesse, IT-Lösungen und Organisationsformen sowie die Forderung nach durchgängigen Prozessketten, basierend auf digitalen Modellen in der Anforderungsdefinition, Systemarchitektur, Produktentwicklung, Simulation, Produktionsplanung, Produktion und Service. Weiterhin müssen Planungs- und Entwurfsmethoden aller Disziplinen – Mechanik, Elektronik und Software – auf den System-Prüfstand gestellt und ihre Tauglichkeit für ein neues Vorgehensmodell der Produkt-, System und Serviceentwicklung überprüft werden, um diese in einen gemeinsamen, integrierten und interdisziplinären Methoden-, Prozess- und IT-Lösungsansatz zu überführen. Dieser Ansatz der Digitalisierung der Produktentwicklung wird Engineering 4.0 genannt. Der hier verwendete Begriff Produktenwicklung bezieht sich sowohl auf die eigentlichen Produkte als auch auf die Produktionsmittel, denn diese sind auch Produkte im eigentlichen Sinne. Diese Begriffsdefinition lehnt sich an die Begriffsbestimmung von Ehrlenspiel an [29]. Damit umfasst der in diesem Buch verwendete Begriff der Produktentwicklung den von vielen Autoren [78, 93] verwendeten Begriff der Produktentstehung. Die Grundlagen bilden Methodiken des Systems Engineering (SE), des Model Based Systems Engineering (MBSE) und des Systems Thinking. Die Digitalisierung der Produkte und der Produktentwicklung bedeutet einen Transformationsprozess, der die klassischen Grenzen einer fragmentierten und konkurrierenden IT-Lösungswelt neu ordnet. Weg vom Silodenken zu einem durchgängigen und integrativen Lösungsansatz für das Engineering. Ein leichtgewichtiger und föderierter Engineering Backbone (→ System Lifecycle Management, SysLM) wird die Rolle der Daten- und Prozessintegration über den gesamten Produktlebenszyklus inklusive des operativen Betriebes einnehmen. In diesem Kapitel werden Grundlagen, Randbedingungen und Treiber der Digitalisierung vorgestellt und eine daraus resultierende für die Entwicklung von cybertronischen Produkten und Systemen angepasste Konstruktionsmethodik abgeleitet.
Fußnoten
1
CIM Computer Integrated Manufacturing.
 
2
CAP Computer Aided Planning.
 
3
CAM Computer Aided Manufacturing.
 
4
CAQ Computer Aided Quality.
 
5
EDV Elektronische Datenverarbeitung.
 
6
Definition laut AWF (Ausschuss für wirtschaftliche Fertigung, 1985).
 
8
https://​entwickler.​de/​leseproben/​daten-sind-das-oel-der-zukunft-261377.​html, Interview Klaus-Dieter Schulze TDWI, NTT DATA, (zugegriffen 20.04.2020).
 
10
Die Prozentzahlen sind gerundet, deswegen ungleich 100 %.
 
12
Galinker, T.: Customer Success – Was bedeutet dieser Begriff https://​morethandigital.​info/​customer-success, 06.01.2019, (zugegriffen 22.04.2020).
 
13
Der Begriff Revolution ist gerade in Deutschland ktitisch. Geschichtlich gab es keine einzige mittelfristig erfolgreiche Revolution in Deutschland https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-3-662-62183-7_3/MediaObjects/495180_1_De_3_Figa_HTML.png .
 
21
The Industrial Internet Consortium (IIC) was founded on 27 March 2014 by AT&T, Cisco, General Electric, IBM, and Intel mit inzwischen über 250 internationalen Mitgliedern, https://​www.​iiconsortium.​org/​about-us.​htm.
 
22
Hier wird im Folgenden der Begriff Cybertronische Systeme verwendet [43].
 
23
Johann Lukkien (j.j.lukkien@tue.nl).
 
25
BITKOM Bundesverband Informationswirtschaft, Telekommunikation und neue Medien e. v.
 
26
VDMA Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau.
 
27
ZVEI Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie.
 
32
https://​e-3.​de/​society-5-0/​, (zugegriffen am 10.06.2020).
 
34
Das Thema Digital Twin wurde über mehrere industrielle Forschungsprojekte zusammen mit den VPE Mitarbeitern Thomas Eickhoff und Hristo Apostolov sowie den externen Promovierenden am VPE Alexander Detzner, Philipp Heiner Schmidt und Rajeeth Tharma bearbeitet. Die ausführliche Beschreibung wurde in der Zeitschrift ZWF veröffentlicht [30, 33].
 
35
Der Begriff soll symbolisieren, dass das Digitale Modell die Gesamtheit aller Produktderivate und -varianten beinhaltet. Zum Beispiel bei einem PKW die verschiedenen Sitzarten (→ Normal, Komfort und Sport). Das Digital Model enthält aber nicht nur die Strukturdaten, sondern alle von Autorensystemen erstellte Informationen, z. B. CAD-Modelle, Simulationsergebnisse, Qualitätsdaten.
 
36
PLM- bzw. SysLM-Systeme können heute bereits Auftrags-orientierte, instanziierte Stücklisten ableiten, trotzdem sollte davon ausgegangen werden, dass die ‚as built‘ Stückliste aus dem PPS-System kommt.
 
39
ETO Engineering to Order (reine Auftragsentwicklung und Fertigung).
 
40
Hier müsste geklärt werden, ob der Begriff Digital Twin für diese Ebene der Baukastenmodule überhaupt sinnvoll ist. Aber Produkte entstehen in einem Mix von Top Down und Bottom Up und so könnte man Module eines Baukastens, die ja entwickelt, simuliert und getestet wurden oder als Ganzes zugeliefert wurden, auch als Sub Twins bezeichnen. Die Voraussetzung ist, dass man ein hierarchisches Konzept in der DT Diskussion akzeptiert. Die 1:1 Zuordnung zwischen DT und PT existiert dann nur auf der obersten Produktebene.
 
41
Dr. Thomas Kuhn, Fraunhofer IESE, Kaiserslautern 2017, https://​gi.​de/​informatiklexiko​n/​digitaler-zwilling/​ (zugegriffen am 20.05.2020).
 
42
SOP Start of Production.
 
43
Produktionsplanungs- und Steuerungssystem/Manufacturing Execution System.
 
44
Customer Relationship Management.
 
45
Supply Chain Management.
 
46
Qualitätsmanagement.
 
47
Maintenance, Repair and Overhoul.
 
48
Configuration Items sind technische Element entlang des PLZ, die nach betrieblicher Vereinbarung potentiell bei Änderungen revisioniert werden und somit dem Konfigurationsmanagement unterliegen. Die tatsächlich von einer Änderung betroffenen Elemente nennt man affected oder impacted items.
 
50
Engineering Change Management/Configuration Management).
 
52
Neben den bekannten Disziplinen Mechanik, Elektrik/Elektronik sowie Software wird hier bewusst eine vierte Disziplin Dienstleistung eingeführt. Der Dienstleistungsanteil des Geschäftsmodells muss bereits in die frühe Entwurfsphase integriert sein [2].
 
53
INCOSE International Council of Systems Engineering.
 
55
Bitte den schon lange für interdisziplinäres und System-orientierten Denkens verwendeten Begriff ‚Querdenken‘ nicht in Verbindung mit der missbräuchlichen Verwendung des Begriffes durch einige verwirrte Querköpfe bringen.
 
58
acatech Initiative „Advanced Systems Engineering“ (ASE) berät über erfolgreiche Innovationen made in Germany – acatech (zugegriffen am 2.11.2020).
 
59
CASE Computer Aided Software Engineering.
 
60
BOM Bill of Material = Stückliste, E-BOM = Engineering BOM, M-BOM = Manufacturing BOM
 
61
FEA Finite Element Analysis.
 
62
MBS Multi Body Systems.
 
63
NVH Noice Vibration Harshness.
 
64
CFD Computational Fluid Dynamic.
 
65
SPICE Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis.
 
66
BOP Bill of Processes = Prozess- oder Montageplan.
 
67
SysML System Modelling Language (Vorsicht: nicht verwechseln mit SysLM).
 
68
Die Anforderungen werden üblicherweise in einem Anforderungsmanagement System definiert und dann über Schnittstellen, z. B. ReqIF in die Systemarchitektur eingelesen.
 
69
OMG Object Management Group, int. Konsortium, das Standards für die objektorientierte Programmierung entwickelt.
 
70
UML Unified Modelling Language.
 
71
Das Kaiserslauterner Systemkonkretisierungsmodell (KSKM) wurde über mehrere industrielle Forschungsprojekte zusammen mit den VPE Mitarbeitern Christo Apostolov, Thomas Dickopf [27], Thomas Eickhoff, Karl-Friedrich Faisst, Christian Muggeo und Michael Pfenning [79] entwickelt. Die ausführliche Beschreibung wurde im der Zeitschrift Konstruktion 2018/19 veröffentlicht [34, 35]. Die genannten Mitarbeiter waren oder sind am Lehrstuhl VPE an der TU Kaiserslautern angestellt.
 
72
Modell-basierte virtuelle Produktentwicklung.
 
73
System Konkretisierungs Modell (SKM).
 
74
M-CAD CAD für Anwendungen in der mechanischen Konstruktion.
 
75
E-CAD CAD für Anwendungen in der elektrischen und elektronischen Konstruktion.
 
76
CASE Computer Aided Software Engineering (Software Entwicklung).
 
77
CAP Computer Aided Planning (Prozessplanung, Fabrikplanung).
 
78
CAM Computer Aided Manufacturing (Produktion).
 
79
MRP Material Ressource Planning.
 
80
ERP Enterprise Ressource Planning (MRP + Finanz-/Asset-/Personalveraltung = ERP).
 
81
MES Manufacturing Execution Systems.
 
82
Die VPE-Mikromethodik wurde über mehrere industrielle Forschungsprojekte zusammen mit den Mitarbeitern Thomas Dickopf [27], Torsten Gilz [55] und Michael Pfenning [79] am Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung realisiert. Daraus ergaben sich zwei Lösungen, die SE-VPE-Methodik ([55]) und die darauf aufbauende mecPro2-Methodik aus dem gleichnamigen Forschungsprojekt ([27]).
 
83
Gesellschaft für Systems Engineering.
 
84
FAS Functional Architecture for Systems.
 
85
SysMOD Systems Modelling.
 
86
OOSEM Object Oriented SE Method.
 
87
C Context.
 
88
GNSS Global Navigation Satellite System.
 
89
Die Schnittstelle zwischen Raspberry Pi und LEGO Mindstorms Komponenten ist mit BrickPi realisiert.
 
90
Dexter Industries: BrickPi. https://​www.​dexterindustries​.​com/​brickpi/​, (zugegriffen am 03.06.2020).
 
91
MQTT Message Queuing Telemetry Transport ist ein offenenes Netzwerkprotokoll für M2M Kommunikation.
 
92
Als IOT Monitoring Tool wurde CONTACT Elements eingesetzt.
 
Literatur
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Metadaten
Titel
Engineering 4.0 – Grundlagen der Digitalisierung des Engineerings
verfasst von
Martin Eigner
Copyright-Jahr
2021
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-62183-7_3

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