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Vor über 500 Jahren, als Leonardo da Vinci mit seinen Flugmaschinen experimentierte, fertigte er Zeichnungen und physische Modelle an, bevor er sich an die Entwicklung seiner Meisterwerke machte. Seine Techniken legten den Grundstein für die moderne Ingenieurskunst. Im 20. Jahrhundert automatisierte die Entwicklung computergestützter Zeichenprogramme (CAD) den Zeichenprozess für Ingenieure, und CAD entwickelte sich durch die Integration von 3D-Modellierung und Fertigungsplanung zum computergestützten Design. Heute stehen uns digitale Zwillinge zur Verfügung: dynamische und realistische computerbasierte Abbilder realer Systeme und Geräte.
Digitale Zwillingedienen als präziseste Nachbildungen physischer Objekte und ermöglichen es Wissenschaftlern und Ingenieuren, die Leistungsfähigkeit und Machbarkeit ihrer Ideen zu testen, bevor sie wichtige Entscheidungen in der Praxis treffen. Digitale Zwillinge haben den Wandel von einem auf Versuch und Irrtum basierenden Entwicklungsansatz hin zu einer systematischen, wissenschaftlich fundierten Entwicklung und Optimierung vollzogen.
Dank der Fortschritte im Bereich des Hochleistungsrechnens (HPC) können wir nun digitale Zwillinge nutzen, um virtuell Handelsräume, Komponenteninteraktion und -leistung, Betriebs- und Fertigungsprozesse über den gesamten Lebenszyklus eines Systems oder eines Geräts hinweg zu erkunden und so eine leistungsbasierte Wartung zu unterstützen.
Digitales Engineering ist mehr als nur fortschrittliche Technologie, die Daten mithilfe digitaler Kompetenzen integriert. Es ist die Praxis, in der neue Anwendungen entwickelt und bereitgestellt werden.
Die digitale Entwicklung umfasst den Nutzen, die Methoden und den Prozess der Erstellung neuer digitaler End-to-End-Produkte und nutzt Technologie und Daten, um Verbesserungen an Anwendungen oder sogar völlig neue Lösungen zu erzielen.
In der hart umkämpften, modernen Technologiewelt sind Vernetzung und soziale Netzwerke Standard. Konsumenten erwarten ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis und beteiligen sich daher aktiv am Produktentwicklungsprozess, um sicherzustellen, dass das Produkt den Marktanforderungen entspricht. Die Digitalisierungder Fertigung ermöglicht automatisierte Anpassung, analytische Simulationen und flexible Modelle für eine personalisierte Produktion.
Glücklicherweise verfügen Branchen heute über neue Technologien wie Big Data,Cloud-Computing, mobile Anwendungen und das Internet der Dinge (IoT), die einen digitalen Informationsfluss ermöglichen. Diese Technologien vernetzen verschiedene Unternehmensbereiche und erleichtern so Abläufe, Zusammenarbeit, Qualitätsmanagement und Produktrückverfolgbarkeit. Dies ist insbesondere in der Luft- und Raumfahrtindustrie von entscheidender Bedeutung, wo die Komponenten komplex sind, höchste Qualitätsansprüche ohne Toleranzen erfüllt werden müssen und Kostensenkung unerlässlich ist.
Aus ingenieurtechnischer Sicht hat sich die Modellierung enorm verbessert und entwickelt sich stetig weiter. Die anfänglichen 2D-Modellierungstechniken haben sich zu 3D-Modellierungstechniken weiterentwickelt, die mit analytischen Simulationen verknüpft sind, um die Anwendbarkeit der Modelle unter verschiedenen Bedingungen zu bestimmen. Nach und nach lassen sich 3D-Modelle durch die Kombination von computergestützter Fertigung (CAM) und qualifizierter Programmierung im sogenannten 3D-Druckverfahren herstellen.
Das Ergebnis des 3D-Drucks sind additive Fertigungsverfahren, die sowohl für die Serienproduktion als auch für die Prototypenentwicklung geeignet sind. Additive Fertigungsprozesse lassen sich optimal mit modellbasierter Konstruktion (MBE) und digitalen 3D-Modellen kombinieren.
Beispielsweise wurden die Titanbauteile des Boeing 787 Dreamliner im 3D-Druckverfahren hergestellt. Additive Fertigung ermöglicht die Entwicklung neuer Produkte und beeinflusst den Designprozess maßgeblich, da komplexe Bauteile problemlos bearbeitet werden können und die Anzahl der zu montierenden Teile reduziert wird.
Es ist offensichtlich, dass die digitale Entwicklung die Leistung bei der Aufgabenerfüllung maßgeblich beeinflusst hat. Sie bietet zahlreiche Vorteile hinsichtlich Kosten, Sicherheit, Qualität und Programmgestaltung. Es wird angenommen, dass die digitale Entwicklung dazu beitragen kann, die Marktdurchdringung zu maximieren und somit die Akzeptanz der Produkte zu erhöhen.
Dies hängt eng mit dem wachsenden Ansehen der Branche und ihrer zunehmenden Beliebtheit im Bereich des digitalen Engineerings zusammen. Damit verbunden sind zahlreiche Vorteile für Ingenieure, die den Einsatz digitaler Engineering-Methoden in Betracht ziehen – diese werden im Folgenden erläutert.
1. Der Einsatz fortschrittlicher Technologien bei der Durchführung der Projekte trägt dazu bei, das Vertrauen in die Projektergebnisse zu stärken, das Wissen zu erweitern, die Kosten zu senken und das Risiko zu minimieren.
2. Die kollaborative Arbeitsumgebung, die Menschen mit unterschiedlichem Hintergrund einbezieht, gilt als beste Lösung für die Entwicklung und Validierung aller laufenden Projekte. Dabei bilden die digitalisierten Systeme den Kern der Projektdurchführung.
3. Durch den Einsatz von Digital Engineering können die Ingenieure die Konstruktion mit maximaler Effizienz planen, um den Wert der Anlagen zu maximieren.
4. Es ist unbestreitbar, dass auch die digitale Technik eine Rolle dabei spielt, die Gesundheit, die Risiken und die Sicherheit aller Bauarbeiter und der Anlagen zu identifizieren und zu mindern.
5. Fortschrittliche Technologie ist zudem von entscheidender Bedeutung für schnelle Tests zur virtuellen Lösungsfindung sowie für Identifizierungen und Validierungen. Dies stellt auch für die Kunden die beste Lösung dar.
Elektrofahrzeuge
Elektrofahrzeuge stellen die traditionelle Automobilindustrie weiterhin vor Herausforderungen, indem sie wirtschaftliche und ökologische Faktoren berücksichtigen. Umweltbehörden und die Industrie drängen auf grüne Energie, und digitale Technologien werden die vielversprechendste Lösung für Umweltschutzmaßnahmen und Energieversorgung darstellen.
Prognosen zufolge wird es bis 2030 weltweit über 125 Millionen Elektroautos geben. Diese Vorhersage basiert auf dem Wachstum von 54 % auf rund 3,1 Millionen Elektroautos im Jahr 2017. Mit diesem Fortschritt wird die digitale Entwicklung weiterhin eine entscheidende Rolle in der Automobilindustrie spielen.
Raumfahrzeuge
SpaceX, das private Unternehmen von Elon Musk, hat mit seinem Raketenbauprojekt einen Durchbruch im Weltraum erzielt und Aufträge von Regierungsbehörden und der NASA erhalten. Die Entwicklung einer Rakete erfordert ein Team aus erfahrenen Ingenieuren, Avionik- und Strukturexperten. Die von SpaceX entwickelte Falcon-Rakete vereint Produktdatenmanagement-Software (PDM) und Finite-Elemente-Analyse (FEA), koordiniert durch die Siemens-Softwarelösung Teamcenter. Die kompletten SpaceX-Systeme verfügen über die NX-Software, die virtuelle Modelle der Falcon-Rakete erstellt und so Schnittstellen für Konstrukteure und die Entwicklung von Komponenten bietet. SpaceX hat seine Produktionsprozesse in der Fabrik – von der Konstruktion über die Fertigung bis hin zur Verarbeitung – vollständig digitalisiert. Letztendlich hat die digitale Entwicklung SpaceX zum einzigen privaten Unternehmen gemacht, das in den Weltraum vordringt.
Virtuelles Training
Die Boeing-Gruppe,ein Konzern von Flugzeugherstellern, setzt auf digitales Engineering. Das Unternehmen nutzt ein fortschrittliches digitales Toolkit, das Augmented Reality (AR), fortschrittliche Analytik, Cloud Computing und das Internet der Dinge (IoT) kombiniert, um komplexe Herausforderungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie zu lösen. Augmented Reality unterstützt die virtuelle Schulung von Mitarbeitern im Produktionsprozess und reduziert so den Schulungsaufwand in der Produktion. Aktuell führt Boeing ein Forschungsprojekt zu AR mit dem Digital Manufacturing and Design Innovation Institute (DMDII) durch, einer gemeinnützigen Bundesorganisation, die sich der Entwicklung fortschrittlicher Fertigungstechnologien und der Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit der amerikanischen Fertigungsindustrie verschrieben hat. Durch den Austausch von Kompetenzen nutzen die beiden Organisationen 3D-Kameras mit fortschrittlichen Bildverarbeitungs- und Computer-Vision-Algorithmen, um einen einfachen und intuitiven Zugang zu Augmented Reality zu schaffen. So kann ein Experte Anweisungen während der Durchführung komplexer Arbeitsvorgänge mithilfe integrierter digitaler Arbeitsanweisungen aufzeichnen und diese anderen zu Schulungszwecken zur Verfügung stellen. Dadurch werden Schulungsressourcen besser genutzt und Kosten gesenkt.
Digitales Engineering kann als kollaborativerer und fundierterer Arbeitsansatz betrachtet werden. Es wird durch digitale Prozesse und technologische Fortschritte ermöglicht, die eine produktivere Planung, den Betrieb, die Konstruktion und die Instandhaltung von Anlagen gewährleisten. Durch Integration und Datenerfassung zielt es darauf ab, den Wert eines Projekts sowohl bei der Fertigstellung als auch darüber hinaus zu steigern. Letztendlich befinden sich die Prozesse des digitalen Engineerings in einem ständigen Wandel, und die Entwicklung bahnbrechender Technologien wird fortwährend anhalten.