Smarte Simulationswerkzeuge für die Prozessdigitalisierung in klein- und mittelständischen Unternehmen der verarbeitenden Industrie

Die Investition in Forschung und Entwicklung digitalisierter Prozesse ist von großer wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Relevanz: 85% aller KMU betrachten digitalisierte Prozesse als Voraussetzung für den Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit und damit als essentiell für die Sicherung von Arbeitsplätzen. Jedoch verfolgen fast zwei Drittel aller KMU keine oder nur teilweise Digitalisierungskonzepte. Das größte Hemmnis der Unternehmen ist dabei die Angst vor zu hohen Investitionskosten in Industrie 4.0-Anwendungen. 

„Digitalisierung“ und „Industrie 4.0“ sind allgegenwärtige, jedoch sehr branchenabhängige Begriffe. Im Einzelfall lassen sich daher sehr verschiedene Herausforderungen aus diesen Schlagwörtern ableiten. In Bezug auf Werkstoffe und damit verbundene Herstellungs- oder Bearbeitungsprozesse bedeutet dies beispielsweise, dass in Zukunft verstärkt mögliche Auswirkungen von Änderungen im Prozess, im Werkstoff oder auch im Produkt virtuell vorhergesagt werden sollen. Gelingt dies, könnten hier u.a. Entwicklungszeiten und Optimierungsprozesse bedeutend verkürzt werden.

Anteil der KMU in Deutschland...

Diagramm

... an allen Unternehmen¹:
... die digitalisierte Prozesse als Voraussetzung für den Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit und damit für die Sicherung von Arbeitsplätzen ansehen²:
... die zu hohe Investitionskosten als größtes Hemmnis für die Einführung von Industrie 4.0-Anwendungen empfinden²:
... die bisher gar keine oder nur teilweise Digitalisierungskonzepte verfolgen³:

¹ Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, Mittelstandsstrategie, 2019
² bitkom Research, Industrie 4.0 – jetzt mit KI, 2019
³ bitkom Research, Digitalisierung der Wirtschaft, 2020

Abb. 1: SmartKMU-Prozesskreislauf zur Erstellung effizienter digitaler Zwillinge

Um die Wettbewerbsvorteile von digitalisierten Prozessketten schnell in das Tagesgeschäft von KMU mit ihren oft begrenzt verfügbaren digitalen Infrastrukturen integrieren zu können, wird im Rahmen der interdisziplinären Nachwuchsforschungsgruppe SmartKMU  der  zentralen Fragestellung nachgegangen, wie sich mit Hilfe smarter Simulationswerkzeuge die Digitalisierung entlang des Produktentstehungsprozesses effizient gestalten lässt.

Der Ansatz ist dabei, Material- und Prozessmodelle zunächst in ihrer vollen Komplexität zu erfassen, bevor sie unter Anwendung smarter mathematischer Methoden zur Modellreduktion in Begleitung validierender Experimente auf die prozessdomierenden Faktoren reduziert werden (s. Abb. 1). Die so entstehenden abstrahierten digitalen Zwillige können sodann Prozessvariationen auf dem „Arbeitsplatz-PC“ des Ingenieurs vorhersagen - ohne dabei auf eine aufwendige digitale Infrastruktur angewiesen zu sein.

Der generelle Bedarf an Simulationswerkzeugen ist im Ingenieurwesen breit angelegt. So werden diese beispielsweise bereits erfolgreich bei der Berechnung des Verzugs verbauter Karosserieteile in der Automobilindustrie oder der Lebensdauervorhersage innovativer mikroelektronischer Bauelemente aus neuen Materialien genutzt. Demgegenüber steht eine Vielzahl von Segmenten der verarbeitenden Industrie, die bisher kaum digitalisierte Prozessketten nutzen. Ein in dieser Hinsicht nur unzureichend erschlossener Bereich ist das Bedrucken und Prägen von Papier und Karton innerhalb der Druck- und Verpackungsindustrie. Dieses Anwendungsgebiet dient dem SmartKMU-Team zugleich als Beispiel für die vorgestellte Methodenentwicklung und deren Effizienz. Ein Beispiel einer digital abgebildeten Prägung ist in Abb. 2. gezeigt.

Auf den folgenden Seiten finden Sie aktuelle Informationen zur Nachwuchsforschungsgruppe und deren Aktivitäten. Haben wir Ihr Interesse an digitalisierten Prozessketten geweckt? Treten Sie gern mit uns in Kontakt. 

Abb. 2: Simulierte Prägung von Papier mit einem Pyramidenstumpf