Produktion und Fertigung haben sich durch Automatisierung im Zuge der Industrie 4.0 stark verändert und werden zunehmend autonom ablaufen. Auch die Produktentwicklung wird sich aufgrund neuer Konzepte und Technologien verändern. Wie sieht die digitale Produktentwicklung der Zukunft aus, wie interagiert der Mensch und wo findet er darin seinen Platz?

Produktentwicklung der Zukunft

Laut einer Studie der Boston Consulting Group werden in Deutschland aufgrund der Digitalisierung mehr Jobs entstehen als wegfallen – vorausgesetzt das Personal ist bereit, neue Fähigkeiten zu erlernen. Repetitive Arbeiten werden automatisiert stattfinden, sodass der Mensch zunehmend mit kreativen und strategischen Fragen konfrontiert wird und lediglich komplexe Ausnahmen der automatisierten Prozesse übernimmt.

“Greater use of robotics and computerization will reduce the number of jobs in assembly and production by approx. 610,000. But this decline will be more than offset by the creation of approx. 960,000 new jobs, particularly in IT and data science.”
BCG Report „Man and Machine in Industry 4.0 – How Will Technology Transform the Industrial Workforce Through 2025?”, 2015.

Auch für die Forschung und Entwicklung bietet die Digitalisierung neue Möglichkeiten, zum Beispiel erweiterte Interaktionsmöglichkeiten mit virtuellen Objekten durch Mixed Reality Anwendungen. Derzeit wird sie jedoch noch hauptsächlich als „Vereinfachung von Arbeitsabläufen“ gesehen, also auch hier für Automatisierungszwecke genutzt. Es steckt allerdings viel mehr ungenutztes Potenzial dahinter, vor allem im Bereich der Produkt- und Prozessinnovation. Dieses kann und muss ausgeschöpft werden, um maximalen Nutzen aus den zur Verfügung stehenden Technologien zu ziehen und auch weiterhin kostengerecht und zukunftssicher Innovation betreiben zu können. Die hier durchgeführte Betrachtung legt den Fokus insbesondere auf den Bereich der industriellen Produktentwicklung mit dem Ziel der Produktvermarktung, nicht auf die vorgeschaltete Grundlagen- und Materialforschung.

Verteilt statt zentralisiert

In Zukunft führen verteilte Entwicklungsteams und Crowd-Engineering zu einer noch stärkeren Dezentralisierung des Entwicklungsprozesses. Teilaufgaben werden an eine Schwarmintelligenz aus eigenständigen Designern, Entwicklern und Programmierern ausgelagert und unabhängig bearbeitet. Dies bringt neue Anforderungen an das Wissens- und Schnittstellenmanagement und das Teilen von Know-how mit sich. Klassische Datensilos werden aufgebrochen und ein verteiltes Wissensnetz rückt an deren Stelle. Dieses Wissensnetz sollte dennoch im Sinne einer „Single Source of Truth (SSoT)“ angelegt sein, ein Informations- und Datenpool, der allen Teilnehmern eines Vorhabens zur Verfügung steht und von ihnen gleichermaßen gespeist und genutzt wird.

“Mit dem Crowd-Engineering werden Firmen die dynamische Schwarmintelligenz von motivierten Entwicklern weltweit nutzen.“
Michael Hertwig, Fraunhofer IAO

Die darin enthaltenen Informationen können für die unterschiedlichen Teilnehmer in individuell abgestimmten Modellen aufbereitet werden, sodass genau die für sie relevanten Informationen bereitstehen. Diese Modelle ersetzen weithin den heutigen Arbeitsmodus, Informationen auf dokument-basiertem Weg zu übermitteln, da dies automatisch über die den Modellen zugrundeliegende SSoT geschieht. Trotz zunehmender räumlicher Verteilung des Entwicklungsprozesses, rückt er aus Informationssicht näher zusammen. Mit steigender Relevanz solcher SSoT steigt parallel auch das Bedürfnis nach einer schnellen, sicheren und leistungsstarken Art der Datenübertragung, Vertragsgestaltung sowie einer dezentralen und verlässlichen Möglichkeit der Datenspeicherung. An dieser Stelle bleibt abzuwarten, ob sich bspw. Blockchain-Technologien gegenüber klassischen Speicherarchitekturen durchsetzen werden.

Mit dem Bot auf Augenhöhe arbeiten

Nicht nur an das menschliche Netzwerk werden Aufgaben abgegeben, sondern zunehmend auch an intelligente Roboterkollegen und mächtige Software aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz (KI), die die Entwickler pausenlos unterstützen. Dies geht zukünftig weit über persönliche digitale Assistenten und vereinfachte Informationsbeschaffung hinaus. Bereits heute können generative Algorithmen Designprozesse bereichern und Belastungssimulationen Potenziale für Materialeinsparungen aufzeigen. Durch stetig steigende und verfügbare Datenmengen aus den SSoT können, nach Aufbereitung durch Big Data Technologien und semantische Analysen, gewonnene Erkenntnisse wieder direkt in den Design- und Entwicklungsprozess einfließen und bei Entscheidungen helfen.

“Reale und virtuelle Produktion werden zu einem intelligenten Gesamtsystem verschmelzen.“
Prof. Rainer Stark, Fraunhofer IPK

Intelligente Bots müssen im Sinne eines Innovations- und Wettbewerbsvorteils dabei stärker in der Rolle eines Diskussionspartners in die Entscheidungsfindung einbezogen und nicht auf das Erledigen repetitiver Aufgaben beschränkt werden. Gleiches gilt für Roboter, mit denen im Entwicklungsprozess physisch zusammengearbeitet wird. Mensch und Maschine werden zunehmend kollaborativ auf Augenhöhe arbeiten. Eine nahtlose Mensch-Maschine-Schnittstelle ist daher unerlässlich und muss von beiden Seiten der Schnittstelle vorangetrieben werden.

Virtual Engineering und Mixed Reality

Eine der größten Veränderungen wird die zunehmende Verlagerung des Entwicklungsprozesses in den virtuellen Raum darstellen. Dies betrifft die Produktentwicklung als Ganzes, von der initialen Systemarchitektur bis hin zu den Produkttests. Trotz einfacher und schneller Wege der Realisierung physischer Prototypen wird zukünftig bereits in der virtuellen Welt ein großer Teil der Produkttests im Sinne einer Continuous Hardware Integration an einem Digital Twin durchgeführt. Automatisierte Simulationen werden eines der relevantesten Werkzeuge in der Entwicklung der Zukunft.
Nicht nur die Produktprototypen selbst, sondern auch deren Produktionsmittel und gesamter Lebenszyklus werden im Vorfeld simuliert, was die frühzeitige Identifikation von Schnittstellen und Fehlerquellen erlaubt. An dieser Stelle erlangen Digital Twins, z.B. des gesamten Produktionsszenarios (Future Factory), große Bedeutung. Diese Form der Entwicklung überholt selbst moderne Start-Up Paradigmen wie „Fail Fast, Fail Cheap“ und bricht mit klassischen Regeln des Kostenmanagements wie der „Rule of Ten“, da sich das anfängliche Scheitern bzw. die auftretenden Fehler weitgehend auf die virtuelle Welt beschränken, in der enttäuschte Kundenerwartungen und Material- und Werkzeugkosten keine bedeutende Rolle spielen.

“Interaktive Flächen werden den klassischen Bildschirmarbeitsplatz verdrängen.“ Dr. Matthias Bues, Fraunhofer IAO

Dies wird die Entwicklungsgeschwindigkeit erhöhen, die Innovationskosten sowie das Innovationsrisiko senken und zum Verfolgen gewagterer Ideen und ganzheitlicher Lösungen ermutigen. Weiterhin vereinfachen die begehbaren virtuellen Modelle das Einbeziehen der Kunden in den laufenden Entwicklungsprozess erheblich und helfen dabei, Erwartungen und Anforderungen bereits sehr früh abzustimmen. Mit entsprechender Unterstützung wird ein End-Kunde sein individuelles Produkt teilweise selbst entwickeln können. Die Produkte werden erleb- und nutzbar bevor sie physisch existieren (Hardware-in-the-loop). Änderungen und Anpassungen können ohne hohe Kosten (z.B. für teure Werkzeuganpassungen für die Hardware) gemeinsam vorgenommen werden und ermöglichen eine hohe Zufriedenheit und gesteigerte Akzeptanz bei den Kunden. Der Übergang vom Produzenten zum Kunden wird fließend, da Produkttrainings und virtuelle Inbetriebnahme parallel zur Entwicklung ablaufen.
Virtuelle Entwicklungsumgebungen zum Arbeiten an virtuellen Modellen werden die (orts- und zeitunabhängigen) Arbeitsräume der Zukunft. Mixed Reality Anwendung helfen dabei, die Verknüpfung von virtuellen und physischen Objekten erlebbar zu machen. Sie erweitern die reale Welt um zusätzlichen Inhalt, wodurch sie den Menschen bei einer Vielzahl von Aufgaben führen und unterstützen. Dies kann das Überlagern eines realen Objekts mit technischen Zeichnungen oder das Anpassen und Designen von noch virtuellen Komponenten direkt am physischen Modell sein.

Das nie fertige Produkt

Durch die wachsende Anzahl von Kleinstcomputern und deren Integration in Produkte, ist es auch nach Auslieferung möglich, die Leistungsfähigkeit und Features der Produkte zu beeinflussen. So ist es schon heute üblich, per „over-the-air“ Update die Performance eines Smartphones oder das Fahrverhalten eines Fahrzeugs zu optimieren. Das physische Produkt wird in vielen Bereichen lediglich zu einem Befähiger (Enabler) für bestimmte Software-Services oder Produkt-Ökosysteme. Diese rücken dadurch zunehmend in den Mittelpunkt der Geschäftsmodelle und somit auch der Entwicklung. Die Verantwortung des Produzenten für ein Produkt wird über den klassischen Entwicklungszyklus hinaus zunehmen und der Grad der softwareseitigen Einflussmöglichkeiten wachsen.

“Digital twins are evolving beyond their role as industrial tools into our daily lives.” Fjord Trends 2020

Diese Verbindung kann in beide Richtungen genutzt werden und ermöglicht es den Entwicklern mit Hilfe von Edge Computing, über den gesamten Product-Life-Cycle hinweg, Analyse- und Fehlerdaten zu beziehen, die unmittelbar Basis für weitergehende Simulationen und neue Produktversionen werden. Ursachen für Materialversagen werden z.B. nachvollziehbar und können möglicherweise bei baugleichen Produkten softwareseitig behoben oder zumindest deren Nutzer vor dem potenziellen Ausfall gewarnt werden. Auch an dieser Stelle zeigt sich die Bedeutung der Verknüpfung realer und virtueller Objekte zu „Digital Twins“.

Anforderungen an die Mitarbeiter

Die zunehmende Anzahl sowie die neue Art der Interaktionen bringen veränderte Anforderungen an die sozialen Kompetenzen und Kommunikationsfähigkeiten der Mitarbeiter mit sich. Vor allem der Umgang mit „maschinellen Kollegen“, sowohl physischer als auch virtueller Art, erfordert eine neue techno-soziale Kompetenz. Dabei steht der Mensch häufig in der Führungsposition für eine Vielzahl von Roboterkollegen und muss daher den Verantwortungsanforderungen dieser neuen e-Leadership Rolle gerecht werden. Weiterhin werden auf menschlicher Ebene die Hierarchien flacher, so dass von jedem einzelnen Mitarbeiter eine höhere Selbstständigkeit und Eigenverantwortung erwartet wird. Außerdem bringen stärker vernetzte Kulturkreise wachsende interkulturelle Kompetenzanforderungen mit sich. Gleichzeitig stellt das Auswählen und gekonnte Schnüren von outsourcebaren Aufgabenpaketen, zur Bearbeitung durch Crowd-Engineers oder Experten-Bots, eine neue und unverzichtbare Basiskompetenz dar.

“A small group of highly skilled specialists oversee thousands of robots, interacting naturally with the robot workforce to produce goods with unprecedented speed and precision, 24 hours a day, 365 days a year.” McKinsey Global Institute

Bei komplexen Problemstellungen wird der Mensch insbesondere durch kreative Denkweisen für die Entwicklung neuer Lösungswege gefragt sein. Es liegt in der Hand der querschnittlichen Entwicklerteams zu entscheiden, was entwickelt werden soll und wie auf die sich schnell ändernden Anforderungen von Kunden und Markt zu reagieren ist. Diese Dynamik bringt stark wechselnde Kompetenzanforderungen an die Mitarbeiten mit sich, die durch Schulungen, Weiterbildungen und Workshops ermöglicht werden müssen. Dennoch wir diese Zukunft von den Mitarbeitern eine hohe Flexibilität und Offenheit gegenüber Neuem abverlangen.

Fazit

Die Produktentwicklung der Zukunft wird gesamthaft, analog zur Industrie 4.0, schneller, interaktiver, vernetzter und zugleich flexibler werden. Die Grenzen zwischen Simulation und Realität verschmelzen und Produkte bleiben während ihres gesamten Lebenszyklus Teil einer ganzheitlichen Lösung und eines kontinuierlich laufenden (Weiter-) Entwicklungsprozesses. Das Risiko mit einem fehlerbehafteten Produkt an den Markt zu treten wird minimiert und führt zu gewagterem Denken. Klassische Strukturen aus internem und externem Wissen werden aufgebrochen und die Kollaboration sowie Kommunikation entlang des gesamten Prozesses vom Entwickler zum Produzenten zum Betreiber zum Kunden zunehmen.

Flache organisatorische Hierarchien sowie eine zu führende „Roboterbelegschaft“ werden zu höherer individueller Verantwortung des Menschen führen. Anforderungen an die Mitarbeiter wachsen insbesondere bei deren sozialen, technischen und kreativen Fähigkeiten, speziell in Bezug auf deren techno-sozialen Kompetenz. Der Mensch bleibt in jedem Fall ein zentraler Bestandteil zukünftiger Entwicklungsarbeit, die ihn in Zukunft mehr als kreativen Problemlöser und technische Führungskraft fordern wird.
Um dieser Rolle gerecht zu werden, wird es für Mitarbeiter wichtiger denn je sein, menschliche Interaktionen sinn- und wertschöpfend zu gestalten, Neuem offen zu begegnen und Interesse an individueller Weiterbildung mitzubringen. Um die zukünftige Produktentwicklung als Ganzes zu ermöglichen, stellen Unternehmen und Entscheidungsträger ihren Mitarbeitern die stetige Möglichkeiten der Weiterentwicklung bereit, sodass diese sowohl auf die wechselnden technischen und organisatorischen, als auch auf veränderte persönliche Anforderungen reagieren können.