TRENDS UND INNOVATIONEN FORSCHUNG FÜR DIE PRAXIS

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1 TRENDS UND INNOVATIONEN FORSCHUNG FÜR DIE PRAXIS Dipl.-Ing. Andrea Urbansky, Projektleiterin Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E. h. Dr. h. c. mult. Michael Schenk, Institutsleiter Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF Magdeburg und FASA e.v. (Zweckverband zur Förderung des Maschinen- und Anlagenbaus Sachsen-Anhalt), GF»3. Unternehmerforum Bitterfeld«Bitterfeld,

2 AGENDA 1. Fraunhofer IFF und FASA e. V. 2. Trends und Herausforderungen 3. Lösungsansätze und Realisierungsbeispiele 4. Ausblick

3 Fraunhofer IFF-Chronik Gründung des Fraunhofer IFF, Magdeburg Grundsteinlegung des neuen VDTC-Gebäudes 2005 Fraunhofer IFF in der ASEAN- Region 2009 Fraunhofer IFF feiert 20-jähriges Bestehen Umzug in Institutsgebäude, Sandtorstr Eröffnung des Virtual Development and Training Centre VDTC Fraunhofer IFF feiert 15-jähriges Bestehen 2010 Eröffnung Galileo Testfeld in Kooperation mit der Otto- von-guericke- Universität Magdeburg Folie 3

4 FASA-Chronik Folie 4

5 AGENDA 1. Fraunhofer IFF und FASA e. V. 2. Trends und Herausforderungen 3. Lösungsansätze und Realisierungsbeispiele 4. Ausblick

6 Trend: Produktionsstandort Deutschland im Wandel Steigender Energieverbrauch bei Ressourcenverknappung Wissensgesellschaft Demographischer Wandel Steigende Mobilität und Transport Klimawandel Dynaxität (= Dynamik + Komplexität) Neue Organisationsformen in Unternehmen Veränderung der Arbeitswelt Wertewandel Zunehmende Konflikte innerhalb von Staaten n= 436, davon 260 Fh-Führungskräfte aus 55 Fraunhofer Instituten und 230 Kuratoren Quelle: FhG; Makrotrends Fraunhofer Future Befragung, 2007 Folie 6

7 Trend: Energieverbrauch bei Ressourcenverknappung Deutscher Energieverbrauch auf Rekord-Tief Der Energieverbrauch in Deutschland war 2011 so niedrig wie seit rund 40 Jahren nicht mehr. Quelle: dapd, Energiebedarf nach Region (kwh pro Kopf) und Zunahme (%) [4][5] kwh/kopf Bevölkerung (Mio.) Bedarf (1 000 TWh) Zunahme Zunahme Zunahme USA % % 22,3 26,6 20 % EU % % 19,0 20,4 7 % Mittlerer Osten % % 2,6 6,9 170 % China % % 10,1 24,8 146 % Lateinamerika % % 4,0 6,7 66 % Afrika % % 4,5 7,7 70 % Indien % % 3,8 7,2 91 % Sonstige* k.a % 36,1 42,2 17 % Welt % % 102,3 142,3 39 % Quelle: IEA/OECD, Bevölkerung OECD/World Bank *Sonstige: zusammengefasst, u. a. Kanada, Japan, Australien, übriges Asien Folie 7

8 Trend: Demografische Entwicklung in Deutschland Ingenieurlücke von Ingenieure (9/2012) in Deutschland Ca Ingenieure fehlen im Land Sachsen- Anhalt und Thüringen (Quelle: VDI Ingenieurmonitor 6/2012) Schwerpunkt Maschinenbauingenieure und Fahrzeugbauingenieure, gefolgt von Elektroingenieuren Ca. 8 Mrd. Euro Wertschöpfungsverlust durch fehlende Ingenieure (2011); Quelle: Studie Ingenieure auf einen Blick 2011/12, VDI und Institut der deutschen Wirtschaft Köln (IW) Abnahme der Bevölkerung 2008: 82 Millionen (100%) 2020: 80 Millionen (97%) Altersgruppe [Jahre] bis 49 42% 36% 50 bis 64 19% 24% % 47% % 23% Folie 8

9 Trend: Dynamik und Komplexität Global: Wettbewerb zieht an USA wird zum attraktiven Produktionsstandort aufgrund attraktiver Energiepreise BRIC Staaten drängen auf den Markt Investitionen in Deutschland stagnieren Deutschland: Unternehmen müssen sich dem globalen Wettbewerb stellen Methoden- und Werkzeugkompetenz werden wichtiger Themenfeld Digital Engineering Themenfeld Digitale Anlage Folie 9

10 Allgemeine Trends in der Produktentwicklung Bsp. Fahrzeug kürzere Produktlebenszyklen = kürzere Entwicklungszeiten höhere Variantenvielfalt Produzieren in Netzwerken Wichtigster Wettbewerbsfaktor: Entwicklungszeit Quelle: VW

11 Motivationen zur Verbesserung des Entwurfsprozesses Beispiel: Mechatronische Produkte Verbesserungsdruck Kürzere Produktentwicklungszeiten 69% Höhere Kundenanforderungen an 44% Produkte Geringeres Entwicklungsbudget 25% Höhere Kundenindividualität der Produkte 20% Höhere Anforderungen an integrierte Elektronik/Software 16% Quelle: Aberdeen group

12 Wesentliche Herausforderungen der Produkt- und Anlagenentwicklung Herausforderung Fehlendes qualifiziertes Personal /Mangel an 50% domänenübergreifendem Wissen Frühes Erkennen von Problemen auf Systemebene 45% Sicherstellung der geforderten Produkteigenschaften Schwierigkeiten bei der Vorhersage /Modellierung der Produkteigenschaften vor dem physischen Prototypen Schwierigkeiten bei der Installation eines domänenübergreifenden PDM-Systems Verständnis der Auswirkungen einer Designänderung auf das Gesamtverhalten des Systems 40% 32% 28% 18% Quelle: Aberdeen group Modellbildung/Simulation als Lösungsansatz

13 AGENDA 1. Fraunhofer IFF und FASA e. V. 2. Trends und Herausforderungen 3. Lösungsansätze und Realisierungsbeispiele 4. Ausblick

14 DURCHGÄNGIGER LÖSUNGSANSATZ Basic Engineering Detail Engineering Bau und Montage Verfahrensentwicklung Inbetriebnahme Betrieb Ziel: Höchste Effizienz bei Planung, Entwicklung und Betrieb einer Anlage Methode: Vollständiges Planen, Errichten und Betreiben einer Anlage mit Methoden und Werkzeugen des Digital Engineerings Ergebnis: Wettbewerbsvorteil durch Ressourceneffizienz (Zeit, Kosten, Energie, ) Die Digitale Anlage umfasst u.a.: Vernetzte Informationen Funktionsweise der Anlage Arbeitsanweisungen für den Betrieb und Service Schulungsunterlagen Planung und Darstellung von Montageabläufen

15 Was ist Digital Engineering? durchgängige Nutzung digitaler Methoden und Werkzeuge über den Produktentstehungs- und Produktionsprozess zielt auf eine verbesserte Planungsqualität sowie Prozessbeherrschung über den gesamten Produktlebenszyklus physikalisch korrekte Abbildung aller problemrelevanten Merkmale und softwaretechnischer Eigenschaften Interoperabilität (technischer, semantischer u. organisatorischer Ebene) der verwendeten Werkzeuge sind eine wesentliche Voraussetzung durch eine problemorientierte Kombination interoperabler Werkzeuge entstehen interaktive Modelle für alle Entscheidungsprozesse im Engineering

16 LÖSUNGSBEISPIEL: THERMISCHE RESTSTOFFNUTZUNG Basic Engineering Detail Engineering Bau und Montage Verfahrensentwicklung Inbetriebnahme Betrieb Ziel: Verfahrensoptimierung zur Reststoffnutzung Methode: Numerische Simulation in Kombination mit CAD-Entwurf Ergebnis: Energie- und Rohstoffersparnis bei gleichbleibendem Endergebnis Folie 16

17 LÖSUNGSBEISPIEL: VIRTUELLES PRÜFFELD Basic Engineering Detail Engineering Bau und Montage Verfahrensentwicklung Inbetriebnahme Betrieb Ziel: Absicherung des Entwurfs durch Modellierung, Simulation, Tests Methode: Virtuelle Produktentwicklung Ergebnis: Zeitgewinn bei der Realisierung der Produktreife Durchgängige Datennutzung und verwaltung über den gesamten Entwicklungsprozess Folie 17

18 Lösungsbeispiel: Simulation des Strömungsverhaltens Wirbelschichtkompaktanlage Basic Engineering Detail Engineering Bau und Montage Verfahrensentwicklung Inbetriebnahme Betrieb 3D-Visualisierung von verfahrenstechnischen Daten aus einer Prozesssimulation Betriebspersonalschulung vor der Anlageninbetriebnahme (schon in der Engineeringphase) Im Anlagenbetrieb Prognose durch Simulationsdarstellungen möglich, z.b. bei Brennstoffwechsel, neuen Leistungsanforderungen Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit durch das Erkennen von nicht gewünschten Anlagentrends

19 LÖSUNGSBEISPIEL: VR-GESTÜTZTE TRAININGSSZENARIEN Basic Engineering Detail Engineering Bau und Montage Verfahrensentwicklung Inbetriebnahme Betrieb Kundenutzen Höherer Lernerfolg bei Einzelpersonen und im Arbeitsteam, Schulung unerfahrener Mitarbeiter in Alltagssituationen (Vergleichsstudie Fraunhofer IFF: Senkung der Fehlerquote um 73%) Lernerfolgskontrolle Anwendung konkreter Aufgabenstellungen aus dem Arbeitsprozess, Sensibilisierung für arbeitssicherheitsrelevante Aspekte

20 Lösungsansatz Digital Engineering durchgängiges Digitales Engineering ist zukünftig Standardwerkzeug zum Planen, Errichten und Betreiben von Maschinen und Anlagen Digitales Engineering ermöglicht schon heute effiziente und ressourcenschonende Entwicklungs-, Fertigungs- und Betriebsprozesse heutige Werkzeuge sind noch zu wenig an Bedürfnissen von KMU ausgerichtet Durchgängigkeit ist teilweise erreicht; entscheidendes Kriterium für Effizienz und Akzeptanz des DE Verfügbarkeit qualifizierter Mitarbeiter noch problematisch; kann und muss durch moderne Hochschulausbildung gelöst werden Fraunhofer IFF bietet Dienstleistungen und Unterstützung bei der Einführung des Digital Engineering in Unternehmen Folie 20

21 Fraunhofer IFF: ein Institut zwei Standorte Institutsgebäude Fraunhofer IFF Sandtorstraße 22 Grundstücksfläche 7389 m² Hauptnutzungsfläche 5009 m² davon Technikum 1300 m² Virtual Development and Training Centre Joseph-von-Fraunhofer-Straße 1 Grundstücksfläche 8975 m² Hauptnutzungsfläche 2755 m² Kernstück 360 -Laserrundprojektion Elbe Dom

22 ElbeDom: Infrastruktur des Fraunhofer IFF Der ElbeDom ist einsetzbar: für die Durchführung von Präsentationen und Design Reviews für Trainings- und Weiterbildungsveranstaltungen als Diskussionsplattform z.b. bei der Produkt- und Prozessentwicklung oder zur Entscheidungsfindung

23 Ausblick: Virtuell-interaktive Produkt- und Prozessentwicklung Beinhaltete Forschungsthemen: Modelle, Simulation/Digital Engineering, Prozesse, übergreifende Infrastruktur Projektinhalt: Virtuell-interaktive Entwicklungsplattform für Produkte und Produktionsabläufe Ziel/Ergebnis: Visualisierung und Simulation von Prozessen und Infrastrukturen incl. der ressourceneffizienten Optimierung der Wertschöpfungskette Folie 23

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Weitere Informationen unter: Folie 24

25 Produktentwicklung im Sondermaschinen- und Anlagenbau In Deutschland ca Unternehmen im Sondermaschinenbau, ca. 40 Mrd. Jahresumsatz, ca Beschäftigte 1 Hoher Wettbewerbsdruck (national und international) Typische Losgröße: 1, hoher Engineering-Anteil (>50%) Hohes Entwicklungsrisiko Interdisziplinäre Teams: serieller Projektfortschritt, geringe Integration auf Datenebene, Abstimmungsprobleme Virtuelle Entwicklung kann Probleme lösen, aber 1 Quelle: VDMA