Was kleine und mittelständische Unternehmen bei der Digitalisierung nicht vergessen dürfen?

Digitalisierung, Digitale Transformation, Industrie4.0, Mittelstand-Digital

In den letzten Jahren hat sicher jeder diese Begriffe schon gehört. Doch was verbirgt sich dahinter? Die Digitalisierung schreitet unaufhaltsam voran. Wer den Anschluss verliert, läuft Gefahr nicht mehr wettbewerbsfähig zu sein. Die Corona-Krise hat die Digitalisierung noch beschleunigt bzw. den Bedarf erhöht. Wobei die Veränderungen im Zuge der Corona-Krise insbesondere den Bereich der „digitalen Zusammenarbeit“ betreffen.

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie hat unter den Oberbegriffen Mittelstand 4.0 und Mittelstand-Digital Kompetenzzentren im ganzen Bundesgebiet gegründet. Ziel ist die Information, Sensibilisierung und Qualifikation kleiner und mittelständischer Unternehmen (KMU) um die Vorteile der Digitalisierung zu nutzen. Aus meiner Sicht eine hervorragende Initiative. Sicher ist diese Initiative aber auch ein Anzeichen dafür, dass die KMU (zumindest aus Sicht der Initiatoren) in manchen Bereichen Nachholbedarf bei der Digitalisierung haben.

Die Chancen, Herausforderungen und Risiken der Digitalen Transformation sind bei jedem KMU sehr individuell zu bewerten und hängen vor allem von der Branche, den Kunden und dem derzeitigen Ist-Zustand des Unternehmens ab. So unterscheiden sich z.B. die Vorgehensweisen und Strategien für einen Friseursalon erheblich von denen für ein kleines oder mittelständisches Industrie-Unternehmen.

Als Maschinenbauingenieur mit den Schwerpunkten Produktoptimierung und angewandte Mechanik unterstütze ich seit dem Jahr 2009 kleine und mittelständische Industrie-Unternehmen bei der Optimierung ihrer Produkte und Prozesse. Im Zuge der Zusammenarbeit helfe ich den Unternehmen aber auch dabei, die numerische Simulation effektiv und eigenständig für die Produkt- und Prozessoptimierung einzusetzen.

Meine nachfolgenden Ausführungen sind geprägt durch die Erfahrungen, die ich in den letzten Jahren bei der Zusammenarbeit mit kleinen und mittelständischen Industrie-Unternehmen aus den Branchen Maschinenbau, Anlagenbau, Automotive, Werkzeugbau, Umformtechnik, Kunststoffspritzgießen, Prozess- und Sicherheitstechnik sammeln durfte. In der Regel spielt bei diesen Unternehmen die Produkt- und Prozessentwicklung eine signifikante Rolle in der Wertschöpfungskette. Einen wesentlichen Anteil der Prozessentwicklung macht hierbei die Entwicklung der Fertigungsprozesse aus, also z.B. die Entwicklung des Umformprozesses für ein Serienprodukt.

Die Boston Consulting Group benennt neun digitale Schlüssel-Technologien, welche die industrielle Produktion in den nächsten Jahren grundlegend verändern werden:

Es wird ganz deutlich: Industrie 4.0 ist ein hochgradig interdisziplinär geprägtes Fachgebiet.

Ich bin der Überzeugung, dass den meisten KMU die Bedeutung der Digitalisierung für die Wettbewerbsfähigkeit bewusst ist. Unsicherheit besteht jedoch bei der Frage:

Welche Schlüssel-Technologien bringen uns bei der Digitalisierung am schnellsten voran? Wodurch bekommen wir den größten Mehrwert?

Der Versuch diese Frage pauschal zu beantworten wäre unseriös! Die Antwort richtet sich nach der Branche und auch nach dem Unternehmen selbst. Im Hinblick auf kleine und mittelständische Industrie-Unternehmen möchte ich zunächst ein paar grundlegende Begrifflichkeiten klären.

„Die Digitalisierung webt einen Digitalen Faden durch die gesamte Wertschöpfungskette eines Unternehmens.“ Diese Metapher habe ich vor einiger Zeit von einer Tagung zum Thema Digitalisierung mitgenommen. Ich finde das ist eine sehr anschauliche Definition des Soll-Zustands, welcher nach der Digitalisierung in einem Unternehmen erreicht sein muss. Häufig ist es auch erst durch den digitalen Faden möglich, die Produktentwicklung simultan in die Wertschöpfungskette einzubinden:

Wie können wir uns das vorstellen? Bei der Digitalisierung der Produktentwicklung geht es im Wesentlichen um die virtuelle Abbildung der Produkte und der zugehörigen Fertigungsprozesse von der Idee bis zur Realisierung.

Eine derartige Vorgehensweise hat unschlagbare Vorteile. Wie wäre es z.B., wenn Sie bereits in der Angebotsphase Herstellkosten und Machbarkeit eines Produkts mithilfe der Produktentwicklung viel präziser beurteilen könnten? Die Digitalisierung macht es möglich!

Wir benötigen hierfür jedoch eine virtuelle Kopie des Produkts oder Prozesses. Genau an dieser Stelle kommt der digitale Zwilling ins Spiel!

Der Digitale Zwilling

Die derzeit offizielle Definition des Begriffs Digitaler Zwilling ist:

„...ein sich entwickelndes digitales Profil des historischen und aktuellen Verhaltens eines physischen Objekts oder Prozesses, das dabei hilft, die betriebswirtschaftliche Leistung zu optimieren.“ [1]

Es handelt sich bei einem Digitalen Zwilling also um ein mathematisches Modell, welches das Verhalten realer Produkte oder Prozesses hinreichend genau widerspiegelt. Im Bereich der Produktentwicklung besteht eine wesentliche Aufgabe des Digitalen Zwillings darin, das mechanische Verhalten der realen Produkte schon vor der physischen Herstellung virtuell abzubilden. Das mechanische Verhalten des Produkts kann so bereits vor der Realisierung erster realer Prototypen beurteilt werden.

Im Jahr 2008 habe ich begonnen mich mit der numerischen Simulation zu beschäftigen, genauer gesagt mit der Methode der Finiten Elemente (FEM). Die FEM ist die industriell am weitesten verbreitete Simulationsmethode zur Modellierung und Analyse strukturmechanischer Probleme. Mit der FEM lassen sich Simulationsmodelle von Produkten erstellen. Mit diesen Simulationsmodellen kann das mechanische Verhalten der Produkte bereits vor der Realisierung analysieren.

Genau das sind aber doch auch die Anforderungen an den Digitalen Zwilling im Bereich der Produktentwicklung. Der Digitale Zwilling ist also eine Art Simulationsmodell!

Ein kleiner Exkurs in die virtuelle Produktentwicklung

Aus Sicht der Produktentwicklung haben Simulationsmodelle (oder Digitale Zwillinge) jedoch noch weitere unschlagbare Vorteile. Wir können mit Ihnen z.B.:

• Die Spannungen und Deformationen in einem Bauteil vorhersagen, bevor der erste reale Prototyp kostenintensiv hergestellt wird.
• Das mechanische Verhalten eines Werkstücks im Umformprozess vorhersagen, bevor die Umformwerkzeuge hergestellt und die Rohlinge bestellt werden. Jeder Umformtechniker weiß um die hohen Kosten, wenn ein Umformwerkzeug im Nachgang modifiziert werden muss.

Simulationsmodelle werden auch als virtuelle Prototypen bezeichnet. Wird die Simulation (z.B. FEM) in einem Unternehmen effektiv eingesetzt, können diese virtuellen Prototypen schneller und wesentlich kostengünstiger erzeugt werden als reale Prototypen. Werden die realen Prototypen soweit wie möglich durch virtuelle Prototypen ersetzt, kann der Produktentstehungsprozess verkürzt werden und es können erhebliche Kosten eingespart werden, siehe nachfolgende exemplarische Abbildung (in Anlehnung an [2]):

Häufig ist es auch so, dass die Produkt- und Prozessoptimierung auf Grundlage von virtuellen Prototypen viel zielführender ist als bei der Verwendung realer Prototypen. Das liegt grundsätzlich am höheren Informationsgehalt der Ergebnisdaten. Insbesondere wegen der virtuellen Prototypen wird das gesamte Fachgebiet auch als virtuelle Produktentwicklung bezeichnet. Zumindest waren diese Bezeichnungen vor der Geburt des Digitalen Zwillings gebräuchlich und ich finde sie sehr anschaulich. Die unschlagbaren Vorteile der virtuellen Prototypen sind sicher ein spannendes Thema für einen weiteren Artikel.

Wie ist die virtuelle Produktentwicklung in den Themenkreis Industrie 4.0 einzugliedern?

Kommen wir nun zurück zur Digitalisierung und zum Digitalen Zwilling! Sicher erschließt sich auf Grundlage meiner bisherigen Ausführungen, dass der Digitale Zwilling im Grunde eine Weiterentwicklung des virtuellen Prototyps (also eines Simulationsmodells) ist. Was sich in den letzten Jahren wesentlich verändert hat, ist der Abbildungsumfang der Simulationsmodelle. Es wird nicht mehr nur das Produkt im Betrieb virtuell abgebildet, sondern auch dessen Herstellung und Entsorgung. Zusätzlich werden die klassischen Simulationsergebnisse immer häufiger durch die smarte Kombination mit Erfahrungswissen und Messergebnissen vervollständigt. So haben sich auch die Bezeichnungen in den letzten Jahren immer wieder anwendungsbezogen „angepasst“. Vom Simulationsmodell zum virtuellen Prototyp und letztendlich zum Digitalen Zwilling.

Im Hinblick auf die neun Schlüsseltechnologien für die digitale Transformation, welche die Boston Consulting Group benennt, ist der Digitale Zwilling im Bereich der Simulation anzusiedeln.

Wir können an dieser Stelle folgendes festhalten:

• Die erfolgreiche Digitalisierung eines Industrieunternehmens, in dessen Wertschöpfungskette die Produkt- bzw. Prozessentwicklung eine wesentliche Rolle spielt, setzt die digitale Abbildung der Produkte und Fertigungsprozesse von der Idee bis zur Realisierung voraus.
• Digitale Zwillinge, virtuelle Prototypen und Simulationsmodelle können unter einem gemeinsamen Oberbegriff zusammengefasst werden. Sie sind mathematische Modelle realer Produkte und Prozesse. Sie sind die Grundvoraussetzung für die digitale Abbildung der Produkte und Fertigungsprozesse von der Idee bis zur Realisierung voraus.
• Die virtuelle Produktentwicklung ist deshalb in vielen Fällen die Grundvoraussetzung für die Digitalisierung von Industrieunternehmen.

Warum rückt die virtuelle Produktentwicklung trotzdem immer mehr in den Hintergrund?

Nun da ich einige Grundbegriffe geklärt habe, möchte ich erzählen was mir in den letzten Jahren zunehmend auffällt und worauf KMU bei der Digitalisierung besonders achten müssen.

Simulation und virtuelle Produktentwicklung sind im Zuge von Industrie 4.0 seit einiger Zeit leider keine Trend-Technologie mehr. Auf Messen und Tagungen zum Thema Industrie 4.0 werden Technologien wie additive Fertigung, Augmented Reality oder das Internet der Dinge in den Vordergrund gestellt. Sicher sind diese Technologien wirklich bedeutend für die Digitale Transformation. Beklagenswert ist nur, dass die Simulation im besten Fall noch ein Randthema an vielen Messeständen ist oder nur auf Nachfrage thematisiert wird. Obwohl die Simulation doch, wie oben beschrieben, die Digitalisierung der Produkte und Prozesse im Rahmen der Produktentwicklung durch den Digitalen Zwilling erst ermöglicht.

Welche Gründe kann das haben? Die Simulation ist in großen Unternehmen mit leistungsstarken Entwicklungsabteilungen seit fast 20 Jahren Stand der Technik. Das gilt insbesondere für die Automobilhersteller und den Bereich Luft- und Raumfahrt. Hier ist es selbstverständlich, dass die Produkte in der Konstruktionsabteilung im 3D-CAD konstruiert werden. Anschließend werden die abstrahierten 3D-Modelle in eine Simulationssoftware übertragen und von der Berechnungsabteilung analysiert und optimiert.

Sicher ist es in vielen Fällen so, dass die großen Unternehmen insbesondere aus den Branchen Automotive, Luft- und Raumfahrt auch Trendsetter sind. Für diese Unternehmen ist die virtuelle Produktentwicklung mittlerweile aber halt kein Trend mehr sondern Stand der Technik, also Normalität. Meiner Meinung nach rückt die virtuelle Produktentwicklung genau deshalb immer mehr in den Hintergrund.

Die großen Unternehmen haben in den letzten Jahren damit begonnen, die Digitalisierung ihrer Wertschöpfungskette auf ihre virtuelle Produktentwicklung aufzubauen. In vielen Fällen ist die virtuelle Produktentwicklung eine Grundvoraussetzung für die Digitalisierung der Wertschöpfungskette, wie weiter oben beschrieben.

Liege ich hiermit richtig, dann ist die Situation hervorragend für alle Unternehmen, welche bereits über eine virtuelle Produktentwicklung verfügen. Sie können auf die Erfahrungen der letzten Jahre aufsetzen. In vielen KMU wurde jedoch in den letzten Jahren gerade mal eine 3D-CAD-Software eingeführt. (Verständlicherweise, denn schon dieser Schritt ist mit viel Aufwand und hohen Kosten verbunden.)

Zusätzlich gibt es auch (sehr erfolgreiche) Unternehmen, welche immer noch mit einer 2D-CAD-Software arbeiten. Im Hinblick auf die digitale Abbildung der Produkte ist dies jedoch absolut kontraproduktiv. Es existieren in diesen Unternehmen keine 3D-Modelle der Produkt-Geometrien.

Was dürfen also kleine und mittelständische Industrie-Unternehmen, die bisher noch keine virtuelle Produktentwicklung nutzen, auf keinen Fall vergessen? Nachfolgend meine Erfahrungen:

Für kleine und mittelständische Industrie-Unternehmen ist die virtuelle Produktentwicklung (Simulation) eine wichtige Grundlage für die Digitalisierung!

Welche Gefahr besteht, wenn dieser Sachverhalt nicht beachtet wird? Entscheider und Anwender könnten die virtuelle Produktentwicklung vor dem Hintergrund der momentanen Informationslage als unwichtig einstufen oder gar bei der Planung Ihrer digitalen Transformation vergessen.

Ich kann deshalb nur jedem betroffenen Unternehmen dazu raten, sich von der Fülle der digitalen Trend-Technologien nicht verwirren zu lassen. Räumen sie der virtuellen Produktentwicklung eine hohe Priorität ein, wenn Sie diese bisher noch nicht nutzen. Sie ist die Grundlage!

Ohne virtuelle Produktentwicklung bricht ihr digitaler Faden hinter der Konstruktion im 3D-CAD ab! Sie verfügen nicht über eine virtuelle Beschreibung des mechanischen Verhaltens ihrer Produkte und Prozesse!!!

Aber auch wenn eine der anderen digitalen Trend-Technologien für Sie einen hohen Nutzwert besitzt, müssen Sie bedenken: Alle anderen digitalen Trend-Technologien haben in Kombination mit der virtuellen Produktentwicklung einen noch viel höheren Nutzwert. Stellen sie sich vor, sie stellen ihre Produkte nicht nur mit der additiven Fertigung her, sondern unterziehen sie im Vorfeld noch einer virtuellen Produktoptimierung (z.B. Topologieoptimierung). Es resultieren ggf. Geometrien, die ihre Konkurrenz mit konventionellen Fertigungsverfahren gar nicht realisieren (und somit auch nicht kopieren) kann. Für Sie ist es aber kein Problem, nämlich mit der additiven Fertigung. Durch die smarte Kombination von virtueller Produktoptimierung und additiver Fertigung können Sie somit Produkte realisieren, die wesentlich besser sind als die Produkte Ihrer Wettbewerber.

Aber auch ohne die additive Fertigung hat die virtuelle Produktentwicklung unschlagbare Vorteile. Sie befähigt Sie dazu, ihre Produkte und Prozesse nicht mehr nur auf Grundlage von Erfahrungswissen und einfachen Rechenmodellen auszulegen. Das allein führt schon zu besseren Produkten, also zu mehr Kundenzufriedenheit und Sicherheit.

Sie müssen die virtuelle Produktentwicklung also nicht einfach nur in Ihren Produktentstehungsprozess integrieren, weil sie eine Grundvoraussetzung für die Digitalisierung ist. Sie bekommen ohne Mehraufwand noch einen unschlagbaren Nutzwert dazu: Die Möglichkeit Ihre Produkte und Prozesse virtuell zu optimieren. Ich kann Ihnen versprechen, dass funktioniert bei den meisten Unternehmen unglaublich gut. Die Erkenntnisse aus den Simulationsergebnissen liefern Ihnen ungeahntes und vor allem ungehobenes Optimierungspotenzial.

Verstehen Sie mich an dieser Stelle nicht falsch: Die virtuelle Produktentwicklung soll ihr Erfahrungswissen nicht überflüssig machen. Ihr Erfahrungswissen ist unersetzlich! Zusätzlich zur Einführung der virtuellen Produktentwicklung sollten Sie über das Anlegen einer zentralen, digitalen Wissensdatenbank (z.B. auf Grundlage von Deep-Learning-Algorithmen) nachdenken, in der Sie ihr Erfahrungswissen ablegen und vereinheitlichen können. Diese ergänzt sich hervorragend mit der virtuellen Produktentwicklung und wird mit jedem abgeschlossenen Simulationsprojekt „schlauer“! Wir könnten uns an dieser Stelle sicher auch auf den Standpunkt stellen, dass ein Simulationsmodell erst durch die Symbiose mit einer digitalen Wissensdatenbank zu einem Digitalen Zwilling wird. Zumindest bin ich derzeit dieser Meinung. Die Symbiose zwischen Wissensdatenbank und Simulation ist sicher ein sehr spannendes Thema für weitere Artikel.

Fazit: Was müssen kleine und mittelständische Industrie-Unternehmen bei der Digitalisierung beachten?

Wenn kleine und mittelständische Industrie-Unternehmen ihre digitale Transformation planen, darf die virtuelle Produktentwicklung (Simulation) auf keinen Fall vergessen werden. Vor dem Hintergrund der vielen digitalen Trend-Technologien kann genau das aber sehr schnell passieren. Trends werden in vielen Fällen von großen Unternehmen gesetzt. Jedoch verfügen die großen Unternehmen fast alle bereits über eine virtuelle Produktentwicklung, wenn diese für sie relevant ist. Sie bauen ihre digitale Transformation also auf dieser Grundlage auf. Fokussiert sich ein Unternehmen ohne virtuelle Produktentwicklung jetzt nur auf die momentanen Trends, fehlt ggf. eine ganz entscheidende Grundlage!

Als Bonus generieren Sie durch die Einführung der virtuellen Produktentwicklung ungeahntes und ungehobenes Optimierungspotential in Ihrem Unternehmen.

Beachten Sie im Zuge Ihrer digitalen Transformation deshalb unbedingt nachfolgende Punkte:

• Prüfen Sie, ob die virtuelle Produktentwicklung für Ihre digitale Transformation relevant ist. Dies ist i.d.R. der Fall, wenn die Entwicklung und Optimierung von Produkten und Fertigungsprozessen in Ihrer Wertschöpfungskette eine wesentliche Rolle spielt.
• Wenn die virtuelle Produktentwicklung für Ihr Unternehmen relevant ist, räumen sie ihr bitte die notwendige Priorität ein! Ich will damit auf keinen Fall sagen, dass alle anderen Trend-Technologien grundsätzlich unbedeutend für Sie sind. In vielen Fällen ist die virtuelle Produktentwicklung jedoch die Grundlage für die Digitalisierung der Produkt- und Prozessentwicklung und die Nutzung anderer Trend-Technologien.
• Prüfen Sie, ob alle anderen Prozesse in Ihrem Produktentstehungsprozess bereits über den richtigen Digitalisierungsgrad für die Einbettung der virtuellen Produktenwicklung verfügen. Wenn nicht, setzen Sie die zugehörigen Aufgaben auf Ihre Agenda!
• Denken Sie über den Aufbau einer zentralen digitalen Wissensdatenbank nach. Hierdurch erreichen Sie eine unschlagbar effektive Symbiose Ihres bestehenden Erfahrungswissens mit den neuen Erkenntnissen aus der Simulation.
• Mangelt es Ihnen bei der Durchführung dieser Schritte selbst an Expertise? Lassen Sie sich von einem Experten helfen. Es besteht die Möglichkeit, einmalig eine Strategie für die Integration der virtuellen Produktentwicklung erstellen zu lassen, welche Sie oder Ihre Mitarbeiter dann umsetzen können. Das ist sehr kosteneffizient und funktioniert unglaublich gut.

Dieser Artikel spiegelt meine Meinung, auf Grundlage meiner Erfahrung wider! Wie ist Ihre Meinung? Wie schätzen Sie die Bedeutung der virtuellen Produktentwicklung für die Digitalisierung ein?

Referenzen

[1] Parrott, A.; Warshaw, L. (2017): Industry 4.0 and the digital twin – Manufacturing meets its match. Deloitte University Press.

[2] Hoffmann, F. (2008): Optimierung der dynamischen Bahngenauigkeit von Werkzeugmaschinen mit der Mehrkörpersimulation. Apprimus-Verlag, Aachen.