Industrie 4.0 Neue Produkte und Dienstleistungen

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1 Industrie 4.0 Neue Produkte und Dienstleistungen Auswirkungen auf Geschäftsmodelle und -prozesse Technische Universität Kaiserslautern Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 1

2 Sonstiges KURZVITA Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner Werkzeugmacher Universität Karlsruhe (TH) Studium des Maschinenbau und Wirtschaftswiss Universität Karlsruhe (TH) Promotion bei Professor Dr. Hans Grabowski Robert Bosch GmbH Technische Datenverarbeitung und Organisation Eigner & Partner GmbH, AG, Inc. Systemhaus für e-engineering Technologien bis 1997: Geschäftsführender Gesellschafter, bis 2001: Vorstandsvorsitzender bis 2003: Aufsichtsratsvorsitzender und CTO seit 2003 Geschäftsführer EIGNER Engineering Consult seit 2004 TU Kaiserslautern Lehrstuhlinhaber Seit 1992 seit 1999 Universität Karlsruhe (TH) Gastdozent TU Sofia Bulgarien Gastdozent Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 2

3 Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 3

4 Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 4

5 Agenda Technische Universität Kaiserslautern Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung Industrie 4.0 Auswirkungen auf den PEP Integration, Interdisziplinarität und Vernetzung Industrie 4.0 / Internet of Things and Services (IoTaS) Beispiele von IoTaS Produkten Auswirkungen auf den Produktentwicklungsprozess (PEP) Herausforderungen Wir müssen Querdenken Zusammenfassung Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 5

6 Motivation Komplexitätsmanagement technischer Systeme Früher... ein Entwickler eingebunden wenige Ingenieursdisziplinen benötigt keine Organisationen eingebunden keine verteilten Systeme keine spezialisierten Systeme [Quelle: Systems Engineering Handbook (INCOSE)] [Quelle: clker.com] Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 6

7 Motivation Komplexitätsmanagement technischer Systeme Heute... Anstieg an Softwareanteilen Unterschiedliche Disziplinen benötigt Verteilte und spezialisierte Systeme Einbindung ganzer Organisationen Vernetzung von Subsystemen Keine stand alone Systeme mehr Teil eines größeren Ganzen Dienstleistung [Quelle: Systems Engineering Handbook (INCOSE)] Software Mechanik Elektronik [Quelle: execpastor.com] Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 7

8 bis zur 4. industriellen Revolution Quelle: plattform-i40.de, plmportal.org, ingenieur.de, Daimler AG Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 8

9 Nach Mechatronik: Cyberphysische Systeme oder Cybertronik Cybertronische Produkte oder Produktionssysteme sind mechatronische Produkte, die mit anderen mechatronischen Produkten, smarten Geräten und/oder Dienstleistungen kommunizieren. WLAN comunication car system [Image Source: Motorauthority.com] Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 9

10 Internet of Things (IoT) und Internet of Services (IoS) Smart Products Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 10

11 Domänen interdisziplinär Internet of Things and Services (IoT IoS) Software Elektronik Mechanik Was bedeutet ein IoT/IoS fähiges Produkt: Optimierung des Betriebs/Service Optimierung des täglichen Lebens Neue Geschäftsmodelle Entwicklung IoT/IoS fähiges Produkt / CTP Entwicklung Dienstleistungen Anforderungsdefinition Produktplanung Prozessplanung Produktion Betrieb Recycling OEM Serviceanbieter Zulieferer Produktlebenszyklus integriert CTP: Cybertronisches Produkt CTPS: Cybertronisches Produktionssystem Bildquelle: V-ZUG; Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 11

12 Domänen interdisziplinär Internet of Things and Services (IoT IoS) Software Elektronik Mechanik Was bedeutet ein IoT/IoS fähiges Produktionssystem: Optimierung des Service Optimierung des Betriebes Neue Geschäftsmodelle Entwicklung Entwicklung IoT/IoS fähiges Produktionssystem CTPS Dienstleistungen Anforderungsdefinition Produktplanung Prozessplanung Produktion Betrieb Recycling OEM Serviceanbieter Zulieferer Produktlebenszyklus integriert Entwicklung CTPS Betrieb CTPS CTP: Cybertronisches Produkt CTPS: Cybertronisches Produktionssystem Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 12

13 Domänen interdisziplinär Internet of Things and Services (IoT IoS) Software Elektronik Mechanik OEM Serviceanbieter Zulieferer Produktlebenszyklus integriert Was bedeutet ein IoT/IoS fähiges Produktionssystem: Optimierung des Service Optimierung des Betriebes Neue Geschäftsmodelle Entwicklung IoT/IoS fähiges Produktionssystem CTPS Entwicklung Dienstleistungen Anforderungsdefinition Produktplanung Prozessplanung Produktion Betrieb Recycling Betrieb CTPS CTP: Cybertronisches Produkt CTPS: Cybertronisches Produktionssystem Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 13

14 Lösungsansatz Dienstleistung (2/2) Verfügbarkeitsorientierte Geschäftsmodelle Betreiber Neue Geschäfts-modelle des OEM/Betreibers haben Aus-wirkungen auf Zulieferer zur Folge Investitionsgut / Maschine Neue Geschäftsmodelle System / Product Life Cycle OEM Service Life Cycle Zulieferkette Baugruppen-/ Modul-lieferanten System / Product Life Cycle Service Life Cycle Komponentenlieferanten (z.b. Sensorenhersteller) Product Life Cycle Engineering Change Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 14

15 Framework Industrie 4.0 Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 15 Quelle: Industry 4.0, PWC und Strategy&

16 Jährliche Investitionen in Industrie 4.0-Lösungen bis 2020 Quelle: Industry 4.0, PWC und Strategy& Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 16

17 Digitalisierungsgrad der Werkschöpfungskette je Branche Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 17

18 Digitalisierungsgrad der Produkte Quelle: Industry 4.0, PWC und Strategy& Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 18

19 Agenda Technische Universität Kaiserslautern Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung Industrie 4.0 Auswirkungen auf den PEP Integration, Interdisziplinarität und Vernetzung Industrie 4.0 / Internet of Things and Services (IoTaS) Beispiele von IoTaS Produkten Auswirkungen auf den Produktentwicklungsprozess (PEP) Herausforderungen Wir müssen Querdenken Zusammenfassung Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 19

20 Die Zukunft der Weißen Ware Service Datencloud Nutzer Lieferant Quelle: in Zusammemarbeit mit V-Zug 20 Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 20

21 IoT/IoS: The connected StreetScooter StreetScooter Sensor Technology 30 installed sensors conneted via C2C box Real time connection WLAN, UMTS or GPRS transmission via XMPP Current signals 53 signals car to cloud 3 signals cloud to car Source: PTC, Streetscooter and ThíngWorx Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 21

22 IoS: Monitoring Detailed view on the current battery information Source: PTC, Streetscooter and ThíngWorx Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 22

23 Analyse: Statistical Overview consumption, power course and sensor counter in one overview Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 23

24 IoT/IoS: Die vernetzte Werkzeugmaschine Quelle: Schaeffler Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 24

25 Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 25

26 Vernetze Geräte sind nichts Neues! Vernetzung und Kommunikation von Dingen ist grundsätzlich nichts Neues! Schon 2004 gab es Lösungen um Haushaltsgeräte zu steuern. Bereits in den 80 Jahren wurden Montagestraßen über Werkstückidentifizierung gesteuert Verbindungen wurden über eine Powerline, optisch, Bluetooth oder Kabel hergestellt. Reaktion der Kunden war im Konsumgüterbereich verhalten. 26 Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 26

27 Neue Technologie der Vernetzung Industrie 4.0 basiert auf einer Reihe technologischer Neuerungen Breitbandnetze Massendatenspeicher Cloud Big Data und Business Analytics Preisgünstigere und intelligente Sensoren 27 Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 27

28 Neue Generation der Vernetzung Die Vernetzung in Infrastrukturen fördert die Entwicklung intelligenter Produkte: Smart Grid Smart Home Smart Shopping Smart Mobility 28 Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 28

29 Smart Grid Das intelligente Stromnetz Haushaltsgeräte wie z.b. eine Waschmaschine starten erst, wenn Strom im Überschuss vorhanden und somit günstig ist. Gefriertruhe startet bei günstigem Stromtarif und kühlt weiter ab. Steigt der Stromtarif wieder, kann die Kühltruhe ohne Stromverbrauch die Zeit überbrücken. Vorteile: Kostenersparnis optimale Ressourcennutzung Abfangen von Spitzenlasten Energiepufferung Bildquelle: Connected-Home 29 Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 29

30 Agenda Technische Universität Kaiserslautern Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung Industrie 4.0 Auswirkungen auf den PEP Integration, Interdisziplinarität und Vernetzung Industrie 4.0 / Internet of Things and Services (IoTaS) Beispiele von IoTaS Produkten Auswirkungen auf den Produktentwicklungsprozess (PEP) Herausforderungen Wir müssen Querdenken Zusammenfassung Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 30

31 Disziplinen Virtuelle Produktentwicklung für IoT und IoS Services Software? Integration Interdisziplinarität Vernetzung/Zusammenarbeit Electronics Mechanics Serviceprovider OEM 1 st Tier 2 nd Tier? Requirements Definition Product Concept (F/B/L) Product Design Process Planning Die typischen Gräben im PLZ Production Operation Recycling Produkt Lebenszyklus Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 31

32 disableuseraccount logaccountdata alarm resetalarm [ScFailCount==3] [BsFailCount==3] Admin Admin [else] flagsecuritycardfailure [else] flagbiometricscanfailure User readsecuritycard validatesecuritycard [else] displaycardstatus User scanbiometricdata [CardStatus Valid] [else] authenticatebiometricdata displayauthenticationstatus [else] AccessPoint AccessPoint logentrydata [else] «MessageAction» unlockaccesspoint «MessageAction» lockaccesspoint [First Request] [Timeout BiometricScan] [BiometricData Authenticated] [Timeout Unlocked] «MessageAction» takepicture Camera Vom Dokument zum Modell Vergangenheit Zukunft Anforderungen Security System Uc1Control Entry User Camera Spezifikationen Admin Uc2Control Exit AccessPoint Uc3ConfigureSecurity System System Design User message_0() Uc_Uc1ControlEntry readsecuritycard() AccessPoint Camera message_1() validatesecuritycard(cardstatus) displaycardstatus(cardstatus) Architektur message_2() scanbiometricdata() authenticatebiometricdata(authenticationstatus) displayauthenticationstatus(authenticationstatus) logentrydata() Uc1ControlEntryCtrl message_4() WaitForEntryRequest A Simulationen message_6() message_3() message_5() reqreadsecuritycard/ readsecuritycard(); reqtakesnapshot to pcamera ProcessingSecurityCardData Fail3Times [CardStatus=="Valid"] ProcessingBiometricData Authenticated BsTimeout Failed3Times Test-Vorgaben A UnlockingAndLockingAccessPoint evaccesspointlocked /disableuseraccount(); logaccountdata(); reqprocessalert("user Access Disabled") to padmin WaitForResetAlarm reqresetalarm/ resetalarm(); A Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 32

33 Model Based Systems Engineering + PLM (mecpro²) Service Lifecycle Management Product Lifecycle Management Requirements Definition Product Planning Design Process Planning Production System Model System Model Simulation Model CASE M-CAD E-CAD PLM Backbone Targets Validation R F/B Requirements Engineering and Specification (Requirements, Functions and Behavior) Virtuelle Tests Physical Tests Simulation Model L Logical System Design and multiphysical Simulation Simuation Testing CASE Model E-CAD Model M-CAD Model P Dicipline Specific Design Dienstleistung Mechanik Disciplin Specific E/E Detailling Software Hybride Tests (z.b. HIL) Modellbildung und -analyse Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 33

34 Model Based Systems Engineering Werden die Informationen nicht über Dokumente sondern über digitale Modelle Ausgetauscht, spricht man von MBSE (Model Based System Engineering) Domänenübergreifende Stückliste ASURO Antrieb links Elektromotor Getriebe Domänenübergreifende Anforderungsmodellierung Domänenübergreifende Funktions- und Architekturmodellierung Zahnrad 1 Zahnrad 2 Selbstlenkendes Fahrzeug Fahrzeug antreiben In- and Output Signal: Energie Stoff Information I1 I2 I3 Funktion Räder antreiben I4 I4 Antrieb links Antrieb rechts O3 O4 Zahnrad 3 Zahnrad 4 Weg aufnehmen Fahrzeug lenken Geschwindi gkeit regeln I1 I3 Geschwindigkeit messen Dekomposition Ordometrie links optische Wegaufnahme In-/Output Port O2 O2 Rad Optische Wegaufnahme LED Opt. Sensor Systeme: Doors, Requisit Pro, XML SE Systeme PLM-Systeme Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 34

35 Definition Interdisziplinarität in der frühen Phase des PLZ SRD SDD Usage SFN SAD Bildquelle: Aras Corp. E-BOM Cross-links R-F Matrix F-L Matrix L-P Matrix Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 35 Source: VPE Research Project mecpro² (T. Gilz)

36 Interdisziplinäre Simulation in der Konzeptphase Modellbildung und Simulation mit Modelica (language) using SimulationX (tool) Benutzeroberfläche zur Erstellung mathematischer Modelle als Blockdiagramme Ermöglicht die frühe Auslegung mechanischer Systeme (z.b. Probleme der Dynamik) Ermöglicht die frühe Auslegung von Regel-/Steuereinheiten Nicht nur für die frühen Phasen geeignet! Beispiel: Konzept für die Steuerung eines Flugzeugaktuators mit Multi-Body Simulation, unter Anwendung von geschätzter Masse und keiner Detailgeometrie Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 36

37 Interdisziplinarität auf Detaillierungsebene Multidisziplinäre Modellierung und Absicherung von mechatronischen Produkten und Produktionssystemen Produktlebenszyklus Anforderungsdefinition Produktplanung Entwicklung/ Konstruktion Prozessplanung Produktion Betrieb Recycling E-CAD M-CAD CASE Verhalten Mechatronisches Simulationsmodell Steuerung Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 37

38 Die PLM Produktstruktur ermöglicht Tracebility Product MBSE und Mechatronik BOM Anpassung an verschiedene Disziplinen Integration zu verschiedenen Autoren Systemen (M, E/E, SW, Simulation) One single source of truth Die Mechatronik BOM ist die Basis für Engineering Change Management (ECM) und Configuration Management (CM) und damit für Tracebility Housing Battery Purchased Assy PCA AML / AVL Schematic PCB Std Parts Viewables Requirements CAD Model Data Sheets Analysis Discloses & Declarations Approved Suppliers Classified Component Attributes AML / AVL ASICs Firmware Assy Component Software Mechanical Parts AVL Source: PTC Software Manual Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 38

39 Verschiedene ECM Prozesse PLM Backbone FPD Model Logical System Element ID 17_ Rev A FPD Model Logical System Ele ID 17_ Rev B SysML Model V1 SysML Model V1.1 SysML Model V1.2 TDM System Philipp Merge Authoring System Jule Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 39 Source: VPE Research Project mecpro² (T. Gilz)

40 Beispiel für ein aktuelles Netzwerk von Zulieferern Source: Prof. Göschel Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 40

41 Interdisziplinarität zwischen Entwicklung und Prozessplanung Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 41

42 Anforderungen an die Domänen Die Domänen Maschinenbau, Elektronik, Informatik und Dienstleistungen müssen noch enger, abgestimmter und früher zusammenarbeiten. Durch die Vernetzung verschiedenartigster Geräte und Apparate sowie der Einbindung von Dienstleistungen gewinnt die Interdisziplinarität enorm an Bedeutung. Gerade bei den Themen Smart Grid und Smart Home müssen neben den Domänen auch verschiedenartige Branchen wie z.b. Stromlieferanten, Braune Industrie etc. miteinander arbeiten. Neue Geschäftsmodelle sind die eigentliche Revolution 42 Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 42

43 Anforderungen an den Produktentwicklungsprozess Durch die Vernetzung von Produkten steigt die Komplexität im PEP. Da in Verbindung mit den Produkten Dienstleistungen angeboten werden, müssen hybride Leistungsbündel entwickelt werden. Verstärkte Einbeziehung des Kunden. Die Brüche zwischen den Phasen müssen beseitigt werden. Schon in den frühen Phasen muss der Betrieb der vernetzten Geräte berücksichtigt werden. Durch die Vernetzung der Produkte können bei der Entwicklung Daten von sich bereits im Betrieb befindlicher Produkte verwendet werden. Es können viele Datentöpfe aus unterschiedlichsten Quellen genutzt und somit in die Entwicklung mit einbezogen werden. 43 Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 43

44 Anforderungen an die Supply Chain Das Zulieferernetzwerk wird noch komplexer. Das Produkt und Prozessmodell ist global verteilt Neben OEM, Zulieferern und Systemanbietern kommen verstärkt Dienstleistungsanbieter hinzu. 44 Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 44

45 Agenda Technische Universität Kaiserslautern Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung Industrie 4.0 Auswirkungen auf den PEP Integration, Interdisziplinarität und Vernetzung Industrie 4.0 / Internet of Things and Services (IoTaS) Beispiele von IoTaS Produkten Auswirkungen auf den Produktentwicklungsprozess (PEP) Herausforderungen Wir müssen Querdenken Zusammenfassung Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 45

46 Zukünftige Herausforderungen Standardisierung Wie sehen die Schnittstellen zwischen den Geräten aus? Wie können Systeme unterschiedlicher Anbieter miteinander kommunizieren? Wie können Dienstleistungsanbieter angebunden werden? Es bilden sich IoTaS Standardisierungs-Konsortien in den USA um Apple und Google 46 Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 46

47 Zukünftige Herausforderungen Produkthaftung Wer haftet für welchen Schaden in einem vernetzten, kommunizierenden System? Wie können Störungen und Auswirkungen rückverfolgt werden? Sicherheit Welches Produkt/ System darf welches Produkt/System steuern? Welche neuen Risiken entstehen und wie können Sie beseitigt werden? (Bsp: Anschalten des Herdes durch einen Hackangriff, Abfangen von Lieferdaten für eine Kühlschrankbefüllung, ) 47 Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 47

48 Agenda Technische Universität Kaiserslautern Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung Industrie 4.0 Auswirkungen auf den PEP Integration, Interdisziplinarität und Vernetzung Industrie 4.0 / Internet of Things and Services (IoTaS) Beispiele von IoTaS Produkten Auswirkungen auf den Produktentwicklungsprozess (PEP) Herausforderungen Wir müssen Querdenken Zusammenfassung Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 48

49 Konstruktionsmethoden Mechanik Pahl/Beitz (1996) French (1999) Andreasen&Hein (1987) Malmqvist (1999) MKM Ponn & Lindemann (2011) VDI 2221 (1993) Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 49 49

50 Konstruktionsmethoden Elektronik Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME 50 Folie: 50

51 Überblick Konstruktionsmethoden SW Wasserfallmodell Royce/Boehm (1970/1981) V-Modell der Nasa Bradley (2000) Iteratives Prototypenmodell Agresti (1986) Rational Unified Process Kruchten (1999) V-Modell der SW Boehm (1979) Agile Methoden z.b. Beck, Andres (2008) Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 51

52 Interdisziplinarität: Wir müssen Querdenken!!!! Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 52

53 Disziplinen Virtuelle Produktentwicklung für IoT und IoS Services Software? Integration Interdisziplinarität Vernetzung/Zusammenarbeit Electronics Mechanics Serviceprovider OEM 1 st Tier 2 nd Tier? Requirements Definition Product Concept (F/B/L) Product Design Process Planning Die typischen Gräben im PLZ Production Operation Recycling Produkt Lebenszyklus Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 53

54 Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung 2014 MME Folie: 54

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