Mechatronik Tag 2006 Mechatronik heute und morgen auf dem Weg zum Standard? Prof. Dr.-Ing. Dieter Spath. Göppingen, 10. Mai 2006

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1 Mechatronik Tag 2006 Mechatronik heute und morgen auf dem Weg zum Standard? Prof. Dr.-Ing. Dieter Spath Göppingen, 10. Mai 2006 Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO, Stuttgart Vortrag_Mechatronik / STG

2 Fraunhofer IAO IAT der Universität Stuttgart Gründungsjahr: 1981 (IAO) und 1991 (IAT) 195 Mitarbeiter (2005) 23,4 Millionen Euro Finanzvolumen (2005) Standort: Stuttgart Univ. Prof. Dr.-Ing. Dieter Spath Folie 2

3 Mechatronik Tag 2006 Mechatronik heute und morgen auf dem Weg zum Standard? Marktdurchdringung Heute Isolierte Entwicklungsprozesse Morgen Simulation & virtuelle Prototypen Zukunft Standardisierung Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO, Stuttgart Vortrag_Mechatronik / STG

4 Kennzeichen reifer Branchen Starke Rationalisierungsbemühungen Vereinfachung eines Produktionsvorgangs in Fabrikhalle oder Büro zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit Intensives Branding und Vertrieb Schaffung einer Markenidentität für Produkte Aufbau Kunden bindender Services Kundenbindung gibt es nicht von der Stange. Sie muss als Dienstleistung individuell konzipiert und auf die Bedürfnisse der Zielgruppe angepasst werden. Stete Integration neuer Technologien Folie 4

5 Entstehende Technologien mit großem Veränderungspotenzial Zehn Technologien, die die Welt verändern werden Mobile Ad-hoc Netzwerke Glukose-Moleküle Mechatronik Grid Computing Molekulare Visualisierung Nano-Prägeverfahren Nano-Solarenergie Quanten-Computer Automatische Software-Verifikation Bio-Substanzen und Zelltechnik Quelle: MIT Technology Review 2003 Folie 5

6 Zukunftsmarkt Mechatronik Anteil Wertschöpfung 100 Anteil Wertschöpfung Mechanik Elektronik Informatik Mechanik Elektronik Informatik Folie 6

7 Zukunftsmarkt Mechatronik -Erfolgsbeispiele Erfolgsmärkte Maschinenbau und Automotive Wandel mechanischer Produkte in mechatronische Produkte -> Anteil bei Fahrzeugkomponenten 2010 > 40 %; -> Anteil im Maschinenbau > 60% (Quelle: Mercer) Zunehmende Individualisierung von Produkten Leistungssteigerung durch Komplettbearbeitung Wachstumsmarkt Medizintechnik Deutschland führend in Europa, Platz 3 weltweit Patentanmeldungen Platz 2 weltweit 36% Umsatzwachstum von 2000 bis 2004 Wachstumsmarkt Servicerobotic und Altenpflege Umsatzprognose (Studie World Robotics 2005 ) -> private Haushalte 7 Mio. Einheiten, Wert 7,5 Mrd. US$ -> gewerblicher Bereich Einheiten, Wert 3,6 Mrd. US$ Vorarbeiten z.b. am IPA: Care-O-bot Entwicklungsaktivitäten Fraunhofer IAO, IAT Universität Stuttgart

8 Mechatronik Tag 2006 Mechatronik heute und morgen auf dem Weg zum Standard? Marktdurchdringung Heute Isolierte Entwicklungsprozesse Morgen Simulation & virtuelle Prototypen Zukunft Standardisierung Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO, Stuttgart Vortrag_Mechatronik / STG

9 Heute Artteilige Entwicklungsprozesse Getrennte Fachdisziplinen Mechanik Elektronik - Informatik Produktkomplexität, Entwicklungsaufwand und Produktionskosten stark differierend zwischen den Fachdisziplinen Traditionell unterschiedliche Entwicklungsmethoden Mangelnde Kenntnisse über Anforderungen, Möglichkeiten, Vorgehensweisen der jeweils anderen Fachdisziplin Beispiel: Mechatronisches System im Maschinenbau Ursache und Chance: Entwicklungsprozess Hinreichend bekannte Problemfelder: Fehleranfällige Komponenten Zahlreiche unentdeckte Fehler bei Serienanlauf -> Produkt reift beim Kunden -> Hohe Garantie- und Kulanzkosten -> teure Rückrufaktionen Hohes Entwicklungsrisiko bzgl. Kundenakzeptanz, Kosten etc. Mangelhafte Bedienbarkeit Fraunhofer IAO, IAT Universität Stuttgart

10 Heute Integration und Testing Anforderungen Anforderungen Anwendungsszenarien Abnahmetest Abnahmetest Systemtest Systemtest Integrationstest Integrationstest Modultest Modultest Grobentwurf Grobentwurf Feinentwurf Feinentwurf Prototypenbau Prototypenbau Testfälle Testfälle Testfälle Testen der Produktqualität Physikalische Prototypen Testen der Komponenten Spätes testen des Gesamtsystems -> Lange Entwicklungszeiten -> Späte Entdeckung von Systemfehlern -> Teure Behebung von Systemfehlern Entwicklung Test Beispiel: V-Modell Fraunhofer IAO, IAT Universität Stuttgart

11 Mechatronik Tag 2006 Mechatronik heute und morgen auf dem Weg zum Standard? Marktdurchdringung Heute Isolierte Entwicklungsprozesse Morgen Simulation & virtuelle Prototypen Zukunft Standardisierung Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO, Stuttgart Vortrag_Mechatronik / STG

12 Morgen Simultane und digitale Produkt- und Prozessentwicklung Digitale Produktentwicklung, Digital Mock-Up Bessere Abstimmung der Spezifikationen der Teilsysteme Dokumentation und Austausch der Randbedingungen und Restriktionen Digitale Produkt- und Produktionsmodelle Digitale Produktion Systematische Einbindung der Produktionsplanung in die Entwicklung schnelle und effiziente Integration neuer Technologien in die Gestaltung und den Betrieb von Produktionsprozessen Fraunhofer IAO, IAT Universität Stuttgart

13 Morgen Digitale Produktentwicklung und Simulation Virtuelle Simulation Menschmodelle zur Individualisierung von mechatronischen Produkten -> Teach-in von selbstlernenden Systemen in VR-Umgebungen -> Kundenspezifische mechatronische Produkte Virtuelle Menschmodelle in der Produktentwicklung -> Usability Tests ohne physikalische Prototypen -> Simulation von Fehlbedienungen Fraunhofer IAO, IAT Universität Stuttgart

14 Morgen Digitale Produktentwicklung Intelligente, mechatronische Produkte Wissensbasierte Assistenz- und Produktionssysteme zur Beherrschung der steigenden Individualisierung mechatronischer Produkte Handlungsbedarf: Integration neue Technologien, Materialien und Energieformen Komplexitätsmanagement Multimodale Mensch-Maschine Kommunikation Teilautomatisierte Konfiguration von Betriebsmitteln Folie 14

15 Morgen Digitale Produktion Produzieren in der Digitalen Produktion Adaptive Technologien für die qualitäts- und leistungsoptimierte Fertigung und Montage. Handlungsbedarf Kommunikation von Maschinen, Anlagen, Sensoren und Aktoren mit übergeordneten Systemen Digitales Qualitätsmanagement, Quality in the Loop Digitale Prozessprognose und -regelungssysteme Lernende Produktionssysteme Zeitliche Parallelisierung von virtuellem Produktmodell und realem Produkt Folie 15

16 Mechatronik Tag 2006 Mechatronik heute und morgen auf dem Weg zum Standard? Marktdurchdringung Heute Isolierte Entwicklungsprozesse Morgen Simulation & virtuelle Prototypen Zukunft Standardisierung Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO, Stuttgart Vortrag_Mechatronik / STG

17 Zukunft Notwendigkeit zur Standardisierung Mechanik Mechatronisches System Elektronik Informatik Schnittstellenproblematik Normen und Standards für Schnittstellen existieren nur innerhalb der Disziplinen Plug-and-Play-Fähigkeit von mechatronischen Komponenten zumeist nicht gegeben Behindert die Modularisierung von mechatronischen Produkten HSK-Schnittstelle (Hohlschaftkegel) CAN-Bus Profi-Bus Proprietäre Steuerungen Folie 17

18 Zukunft Standard Mechatronisches Betriebssystem Kooperative Systemdienstleistungen in der Produktion Technische, wirtschaftliche und organisatorische Basis Entwicklung und Anpassung Ökonomie und Marketing Nachhaltigkeit Intelligente, modulare Maschinen Maschinenverhalten Mechatronisches Betriebssystem Information und Kommunikation Entwicklungsprozess Mitarbeiter und Organisation Betriebsprozess Folie 18

19 Zukunft Standard Mechatronisches Betriebssystem Nutzer Anwendungsprogramme Hilfsprogramme MECHATRONISCHES BETRIEBSSYSTEM Das Mechatronische Betriebssystem ist ein System aus Software, elektronischen und mechanischen Elementen vom Sensor / Aktor bis zur Maschinenebene mit umfassend definierten Schnittstellen mechatronische Systeme Werkzeugmaschinen Verkettungen Hardware mechanische, electronische und Software-Komponenten Roboter Sensoren Aktoren Entwickler Folie 19

20 Zukunft Standard Mechatronisches Betriebssystem Vernetzte MBS-Systeme 4 Informationsverarbeitung MBS-System 1 MBS-System Informationsverarbeitung Modul 1 2 Modul 2 Modul 3 3 Mechanik Software Elektronik Mechanik Software Elektronik Mechanik Software Elektronik Informationsverarbeitung Modul 4 Modul 5 Mechanik Software Elektronik Mechanik Software Elektronik Beispiele für Aufgaben des Mechatronischen Betriebssystem (MBS) 1 Definition der Protokolle 2 und 3 Definition der Schnittstellen 4 Zugriff auf MBS Systeme und Module ermöglichen Koordination Energiefluss Materialfluss Informationsfluss Folie 20

21 Zukunft Erste Schritte: Mikro-Webcontroller RJ45 Ethernetübertrager Digitale + analoge Sensoren/Aktoren μ-prozessor mit TCP/IP + http-stack Folie 21

22 Drei strategische Ansätze der Innovation Bewahrung der Spielberechtigung Ausreichende Investitionen zur Erhaltung der Wettbewerbsfähigkeit, ohne frühzeitige Festlegung weiterer Aktivitäten Anpassung an die Zukunft Geschwindigkeit, Agilität und Flexibilität zur Erkennung und Verwertung von Chancen in bestehenden Märkten Aktive Zukunftsgestaltung Führungsrolle bei der Bestimmung der Wettbewerbsregeln in der Branche, z.b.: - Standardfestlegung -Nachfragegenerierung Quelle: Fraunhofer IAO 2004 in Anlehnung an Courtney/ Kirkland/ Viguerie Folie 22

23 Man soll die Zukunft so nehmen, wie sie kommt. Aber man sollte auch dafür sorgen, dass die Zukunft so kommt, wie man sie möchte. nach Curt Goetz deutscher Schriftsteller ( ) Folie 23