Erfolgreich im virtuellen Sprint

Wir bewegen uns in einer schnelllebigen Zeit. Dies ist nicht nur ein Gefühl, für den Tempozuwachs gibt es zahlreiche Belege. Einer der Treiber ist sicherlich die Digitalisierung, die Gesellschaft und Wirtschaft immer weiter durchdringt. So beeinflusst beispielweise der sogenannte digitale Zwilling die Prozessabläufe in Technologiekonzernen wie ZF geradezu dramatisch. In unserem ersten Beitrag erfuhren Sie Wissenswertes zum digitalen Zwilling im Unternehmenseinsatz. Blicken wir nun etwas genauer darauf, wie sich Entwicklung und Erprobung durch diese Digitalisierungsoffensive verändern. Mit digitalen Zwillingen lassen sich unter anderem Entwicklungszeiten verkürzen, Kosten senken und die Produktqualität erhöhen. Dazu steigt die Effizienz und damit die Wettbewerbsfähigkeit.

Entsprechend optimistisch sind die Erwartungen von Experten zu Verbreitung und Umsatzwachstum dieser digitalen Werkzeuge. Nach Angaben des irischen Marktforschungsunternehmens “Research and Markets” wird der Weltmarkt für digitale Zwillinge in den Jahren 2024 bis 2029 um etwa 163 Milliarden US-Dollar wachsen und sich in diesem Zeitraum auf eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von knapp 65 Prozent beschleunigen.

Einer, der die Bedeutung derartiger Lösungen bestens kennt, ist Dr. Martin Obermayr. Er leitet bei ZF das „Competence Center of Digital Twin“. Dieser Zentralbereich hat zusammen mit den Divisionen des Konzerns die Kernaufgabe, die Produkterprobung zu virtualisieren. Derzeit gibt ZF einen hohen zweistelligen Prozentbetrag seines FuE-Budgets für die Produktvalidierung aus. Je besser es gelingt, die Anzahl physischer Tests zu verringern und ergänzend belastbare Testdaten für die Erstellung von digitalen Zwillingen zu gewinnen, desto mehr Geld spart das Unternehmen. Mindestens ebenso wichtig wie die Kostenersparnis ist die Zeitersparnis. „Was wir bis vor kurzem in 24 Monaten gemacht haben, sollen wir nun in 18 Monaten erledigen; was wir in 18 Monaten gemacht haben, sollen wir auf 12 Monate reduzieren“, beschreibt Obermayr die Anforderungen von Kunden an die ZF-Entwickler. Dies lässt sich nur durch eine zunehmende Virtualisierung erreichen.

Seit etwa zweieinhalb Jahren arbeiten die Entwicklerteams bei ZF intensiv daran, den digitalen Zwilling in immer mehr Produktgruppen zu etablieren. Dazu erklären sie Kunden, wie ZF die Erprobung im Einzelfall verändert und welchen Nutzen die Kunden daraus ziehen. Beim digitalen Zwilling geht es nicht darum, die jahrzehntelang übliche physikalische Erprobung überflüssig zu machen, sondern diese auf ein notwendiges Maß zu reduzieren.

Zu den Themen, die ein digitaler Zwilling in der Erprobung mechatronischer Systeme abdecken muss, gehören unter anderem die Betriebsfestigkeit – keine Risse, keine Brüche – dazu die Akustik (Geräusch, Vibration, Rauigkeit) sowie die elektromagnetische Verträglichkeit und die Effizienz. Auch Software und Systemtestes lassen sich virtualisieren. Alle virtuellen Tests werden statistisch abgesichert. Dazu werden Daten, die aus der Erprobung von Prüfständen kommen, den Daten aus der Simulationskette gegenübergestellt. Je häufiger dieser Vergleich passiert, desto höher ist der sogenannte Vertrauensbereich, also desto zuverlässiger sind die mit dem digitalen Zwilling ermittelten Ergebnisse.

Auch wenn ZF die digitalen Zwillinge noch nicht flächendeckend einsetzt, so liegt doch bereits eine stetig wachsende Zahl von Erfahrungen damit vor. In Absprache mit einem deutschen Fahrzeughersteller führte ZF beispielsweise virtualisierte Klima- und Umwelttests (HTOE-Tests) für Leistungselektroniken durch. Damit waren die üblichen Hochtemperaturtests in speziellen Prüfschränken teilweise überflüssig. Ohne dass die Aussagefähigkeit der Daten litt, verkürzte sich durch die Virtualisierung die Prüfzeit um etwa ein Jahr – der geplante Start der Serienproduktion beim Kunden war zu halten.

Für einen US-Autobauer realisierte ZF die prototypenfreie Entwicklung in der Designphase bei den adaptiven (aktiven) Dämpfern. In diesem Fall war das möglich. „Bei Dämpfern haben wir ja viel Erfahrung“, sagt Obermayr und ergänzt: „Sind die Veränderungen beispielsweise bei der Software von einer Generation auf die nächste nur gering, besteht die Möglichkeit, auf Prototypen zu verzichten.“ Das spart enorm Kosten und auch Zeit. Bei diesem Projekt lieferte ZF gemäß Absprache die virtuellen Leistungsnachweise an den Kunden, der damit zufrieden war.

Wo es ohne virtuelle Erprobung kaum noch geht, ist die Technologie „Steer by Wire“. Als sogenanntes Fail-Operational-System muss Steer by Wire auch beim Auftreten eines ersten und sogar eines zweiten Fehlers weiterhin sicher funktionieren. Daraus entsteht eine enorme Anzahl möglicher Fehlerkombinationen, die bei den Tests berücksichtigt werden müssen. „Die Tests, die wir hier laufen lassen, sind so umfangreich, dass wir über drei bis vier Monate reden, nur um die relevanten Fehlerkombinationen für einen Softwarestand abzudecken“, erklärt Obermayr die Dimension der Erprobung.

Gleichzeitig entsteht täglich neuer Software-Code, der kontinuierlich getestet werden muss. Allein mit klassischer Hardware-Erprobung auf einem Hardware in the Loop (HiL)-Prüfstand ist dieser Testumfang kaum zu bewältigen. Virtuelle Erprobung ermöglicht es, die Testabdeckung deutlich zu erhöhen und wesentlich mehr Fehlerkombinationen frühzeitig, automatisiert und wiederholt zu überprüfen. Die klassische HiL-Erprobung mit realem Steuergerät, Microcontroller und Aktuatorik wird damit gezielt ergänzt. Der Technologiekonzern ist dabei, dieses digitale Erprobungsverfahren auch auf weitere Produktgruppen zu übertragen.