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Konstruktion Am Anfang der Produktentwicklung stand die Idee

| Autor/ Redakteur: Ralf Steck / Stefanie Michel

Die Produktentwicklung hat sich verändert und entfernt sich immer weiter von ihren Ursprüngen, in denen die Mechanik den Ton angab. Heute ist die Konstruktion der Ursprung und das Ende eines Datenstroms, der das gesamte Unternehmen durchzieht; der Konstrukteur droht zum „Rechenknecht“ zu werden.

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Während sich früher alles an die mechanische Konstruktion anpassen musste, arbeiten heute alle am Produkt beteiligten Teams parallel und tauschen ihre Daten aus.
Während sich früher alles an die mechanische Konstruktion anpassen musste, arbeiten heute alle am Produkt beteiligten Teams parallel und tauschen ihre Daten aus.
(Bild: © Gorodenkoff Productions OU - stock.adobe.com)
  • Produkte werden zunehmend intelligent, vernetzt und individualisierbar. Darauf muss die Produktentwicklung reagieren und die Prozesse anpassen.
  • War noch bis vor wenigen Jahren das mechanische CAD-Modell die Basis der Konstruktion, in der die Elektrik integriert werden musste, arbeiten heute zahlreiche Teams gemeinsam am 3D-Modell.
  • Um die immer komplexeren Anforderungen an die Produkte in der Produktentwicklung umzusetzen, ist ein digitales Requirements Management sowie Systems Engineering nötig.

Will man die Zukunft vorhersagen, empfiehlt es sich, Vergangenheit und Gegenwart zu analysieren. Zwar ist die Disruption – also die ansatzlose Revolution einer Branche oder eines Produkttyps durch neue, digitale Angebote – aktuell als Konzept sehr in Mode. Prozesse wie die Produktentwicklung wandeln sich jedoch eher evolutionär. Auch wenn ab und zu größere Sprünge zu vermelden sind, entwickeln sich die Prozesse und Werkzeuge im Grunde auf Basis der bestehenden Herausforderungen fort.

Analysiert man also die Probleme, Herausforderungen und unvollkommenen Herangehensweisen der Vergangenheit und Gegenwart, kann man mit einer gewissen Sicherheit die Zukunft der Produktentwicklung interpolieren. Vor allem, wenn die Produkttrends schon sehr klar zu identifizieren sind: Sie werden smart, vernetzt und damit wesentlich komplexer als früher. Und nicht zuletzt werden Produkte individueller, was wiederum mehr Flexibilität und Effizienz von der Produktentwicklung bis in die Fertigung notwendig macht.

Zudem „leben“ Produkte, sie verändern sich also ständig – Softwareupdates optimieren die Funktion und fügen neue Funktionen hinzu. Die Entwicklung endet nicht mit dem Serienstart, denn mithilfe des Internets der Dinge (Internet of Things, IoT) melden die Produkte Daten zurück, auf deren Basis sich Optimierungsmöglichkeiten identifizieren lassen. Dabei spielt auch die Nutzung der Produkte eine Rolle, die ganz anders sein kann, als es der Entwickler ursprünglich vorgesehen hatte. So hatten beispielsweise die Smartphone-Entwickler ursprünglich nicht die Nutzung als Taschenlampe im Sinn, als sie Smartphones mit Blitz-LEDs ausstatteten. Doch dann entstanden Apps, die die LED dauerhaft anschalteten. Damit wurde die Nutzung des Smartphones als Taschenlampe zur Selbstverständlichkeit, heute ist diese Funktion meist von vornherein implementiert.

Mechanische Konstruktion als Basis

Traditionell war der Produktentwicklungsprozess seriell: Auf eine Vorentwicklung folgte die mechanische Konstruktion und dann der Bau der Maschine oder von Prototypen für die Serienfertigung. Dabei wurde üblicherweise keine Rücksicht darauf genommen, dass danach noch elektrische Kabel, Aktuatoren und Sensoren im Produkt verlegt werden mussten. So wurde nachträglich so lange „gebastelt“, bis Mechanik und Elektrik/Elektronik endlich vereint waren. In vielen Fällen wurden die Änderungen, die sich bei der Umsetzung der Zeichnungen in reale Prototypen ergaben, nicht in die Konstruktionsunterlagen zurückgespielt. Konstruktionsdaten und Produkt unterschieden sich also oft schon, bevor das Produkt überhaupt in Serie ging. Am Ende des Entwicklungsprozesses musste dann in großer Eile – das Produkt war schließlich fertig und sollte auf den Markt – die Fertigung geplant und gebaut werden, auch Dokumentation, Wartungshandbücher und Ersatzteillisten entstanden erst ganz am Ende des Prozesses.

Diese relativ grobschlächtige Vorgehensweise war nicht der Unfähigkeit der Konstrukteure geschuldet, sondern ergab sich aus den Fähigkeiten der zur Verfügung stehenden Werkzeuge. Elektrotechnik-Konstrukteure arbeiteten üblicherweise in Stromlaufplänen, die wenig oder gar nichts mit der realen Form oder der Positionierung der Bauteile zu tun hatte. Es hätte daher gar keine 3D-Daten gegeben, die in ein Mechanik-CAD-Modell zu integrieren gewesen wären. Zudem war die Zeichnungsableitung viel zu aufwendig, um all die kleinen Änderungen, die bei Bau und Inbetriebnahme notwendig wurden, in den CAD-Datenbestand zurückzuführen. Vor allem wurden die CAD-Daten mit der Inbetriebnahme einer Anlage oder dem Serienstart mehr oder weniger obsolet - es wurde nach Zeichnung gearbeitet. So begnügte man sich meist damit, die Zeichnungen zu aktualisieren und nach diesen zu fertigen.

CAD-Daten sind die Grundlage weiterer Prozesse

Sobald jedoch auf Basis eines bestehenden Produkts ein Nachfolger in Planung war, begannen die Probleme. Was war denn der aktuelle Stand: das 3D-Modell oder eine der vielen Zeichnungsversionen, die in Produktion und in den Schränken der Konstrukteure lagen? Warum wurde welche Änderung überhaupt gemacht?

Heute sind die CAD-Daten die Grundlage vieler weiterer Prozesse, sei es bei Betriebsmittelbau, Formen- und Werkzeugbau, Fabrik- und Fertigungsplanung oder auch Service und Wartung. Vor allem jedoch wird parallel gearbeitet, beispielsweise wird die Dokumentation bereits begonnen, wenn der Konstruktionsprozess noch im Gange ist. Das verschafft zwar diesen Prozessen mehr Zeit, stellt aber auch ganz neue Anforderungen an den Datenaustausch. Denn nun müssen regelmäßig aktualisierte Stände an die parallel laufenden Prozesse weitergegeben und das Feedback aus diesen Prozessen ins Urmodell übertragen werden.

Auch Mechanik- und Elektronik/Elektrotechnik-Entwicklung arbeiten heute Hand in Hand. Zudem hat sich der Stellenwert von Elektronik und Software völlig geändert: Die beiden Disziplinen stehen mit der Mechanik auf Augenhöhe. Dementsprechend existieren heute bidirektionale Schnittstellen zwischen E-CAD und M-CAD; E-CAD-Systeme können 3D-Modelle ausgeben und M-CAD-Systeme Kabel realitätsgetreu darstellen. Eine Basis für diese Zusammenarbeit ist der immer bessere Datenaustausch zwischen Fremdsystemen: Heute lassen sich Fremddaten nahezu wie native Daten behandeln. Das erleichtert die Zusammenarbeit über Firmengrenzen hinweg.

Bericht herunterladen: Autodesk beschreibt, wie sich die Produktentwicklung verändert hat

Der komplexen Anforderungen Herr werden

Moderne Produkte werden aber nicht nur immer komplexer, sie müssen auch immer zahlreicheren und immer komplexeren Anforderungen und Regelwerken gehorchen. Zu viele, um sie beim Konstruieren im Kopf zu haben. Das macht Requirements Management erforderlich: Die Anforderungen an das Produkt werden digital definiert, was ja auch früher schon im Lastenheft der Fall war. Heute lassen sich diese Anforderungen jedoch auch formalisieren, digitalisieren und dann in Tests nutzen, um die Konstruktion ständig auf Einhaltung der Anforderungen zu prüfen.

Zudem ermöglicht es der Gleichklang von Mechanik. Elektrik und Software, Funktionen auf ganz verschiedene Art umzusetzen. Hatte die alte Citroen Déesse beispielsweise noch Seilzüge, die die Scheinwerfer drehten und in die Kurve hineinleuchten ließen, so lässt sich Kurvenlicht heute mit einigen Zeilen Code realisieren; die Nebelscheinwerfer werden anhand des Lenkeinschlagsensors und der Geschwindigkeit über den CAN-Bus entsprechend an- und abgeschaltet. Um diese Möglichkeiten richtig nutzen zu können, ist es notwendig, Funktionen möglichst lange im Prozess technologieneutral zu entwickeln – was zum Systems Engineering führt.

Im Systems Engineering werden Requirements und Funktionen in einer neutralen Beschreibung definiert und erst relativ spät in echte Funktionen umgesetzt. So lässt sich für jede Funktion die optimale Domäne finden, in der sie umgesetzt wird – Mechanik, Elektrik oder Software. Gleichzeitig ist es möglich, die formalisierten Requirements ständig gegen den aktuellen Stand des Modells zu prüfen und damit dafür zu sorgen, dass das Produkt allen Anforderungen entspricht.

Produktentwicklung ist zunehmend formalisiert

Was also bringt die Zukunft der Produktentwicklung? Aus den beschriebenen Entwicklungen lassen sich mehrere wahrscheinliche Szenarien entwickeln:

  • Allumfassende Plattformen werden alle Daten eines Unternehmens aufnehmen und an jeder Stelle bereitstellen, wo sie benötigt werden. Daten werden zum Treib- und Schmierstoff des Unternehmens.
  • Intelligente Produkte liefern über das Internet der Dinge Daten aus dem laufenden Betrieb zurück an den Entwickler. Dieser muss sich also bei Produktentwicklungen nicht auf Annahmen stützen, wie das Produkt in der Praxis genutzt wird und welchen Einflüssen es ausgesetzt ist, sondern er erlebt sozusagen live mit, wie das Produkt in der Realität genutzt wird. Basierend auf diesem Wissen kann er laufend Optimierungen und Verbesserungen initiieren und an die bestehenden Produkte ausrollen, beispielsweise durch ein Softwareupdate.
  • Die generative Modellierung ist die logische Erweiterung des Komplexes rund um Systems Engineering und Requirements Management. Die im Requirements Management definierten Funktionen werden in einem formalisierten Prozess in Einzelfunktionen zerlegt, diese in Soft- oder Hardware umgesetzt und dann zum Produkt zusammengesetzt. Analog lassen sich Geometrien auf Basis der bekannten Lasten und Kräfte vom Computer erzeugen.

Die Schattenseite dieser Entwicklung ist eine immer stärkere Formalisierung des Entwicklungsprozesses, die die Arbeitswelt des Konstrukteurs sehr verändern wird. Der geniale Daniel Düsentrieb mit seinen einzigartigen Lösungen ist nicht mehr gefordert, sondern der akribisch seine Requirements und funktionalen Modelle abarbeitende „Rechenknecht“. Vielleicht kommt es aber auch ganz anders. Komplexe Systeme neigen nämlich dazu, an einem Punkt, der meist von der Verfügbarkeit großer Rechenleistung bestimmt wird, sehr einfach zu werden. Die Rechenleistung ermöglicht es, die Komplexität zu kapseln, über integrierte Intelligenz zu verstecken und unter einer einfachen Schnittstelle verfügbar zu machen.

So kann der Ingenieur seine Kreativität wieder ausleben

Ein gutes Beispiel ist die FEM-Simulation: Noch vor wenigen Jahren waren nur ausgewiesene Fachleute in der Lage, eine Festigkeits- oder gar Strömungssimulation durchzuführen. Heute ist dies mit wenigen Mausklicks direkt aus dem CAD-System heraus möglich. Jedoch ist aktuell noch Fachwissen erforderlich, um die Plausibilität des Ergebnisses zu beurteilen. In wenigen Jahren wird in der Simulationssoftware eine Künstliche Intelligenz integriert sein, die diese Plausibilitätsprüfung durchführt.

Es ist sehr wahrscheinlich, dass wir sehr bald an einen Punkt kommen, an dem Requirements Management, Systems Engineering und all diese hochkomplexen Formalisierungen von einer KI im Hintergrund erledigt werden und uns ein digitaler Assistent bei unserem kreativen Entwicklungsprozess mit Hinweisen und Tipps versorgt.

Der Vorteil dieser Entwicklung: Jeder macht das, was er am besten kann: Der Ingenieur kann seinen inneren Daniel Düsentrieb wieder von der Leine lassen und kreative Ideen entwickeln. Im Hintergrund überwacht die KI den Prozess und erledigt die Formalitäten. So verbinden sich die Kreativität des Menschen und die Fähigkeit der digitalen Technologie, formale Prozesse stoisch abzuarbeiten, zu etwas ganz Neuem.

* Ralf Steck ist freier Fachjournalist aus Friedrichshafen.

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