Kober, Christian

Die Modellfabrik des dtec Labors für intelligente Leichtbauproduktion (LaiLa) hat sich in den letzten drei Jahren als Digitalisierungslabor für intelligente Leichtbauproduktion etabliert und den Wissenstransfer zwischen Grundlagenforschung, anwendungsnaher Forschung und industrieller Anwendung in der Luftfahrt vorangetrieben. Durch die Implementierung und Optimierung von Technologien wie energieoptimierter Produktionsplanung und -steuerung, robotergestütztem kontinuierlichem Ultraschallschweißen und digitalen Zwillingen konnten signifikante Fortschritte in Bezug auf Qualitätssteigerung, individualisierte Fertigung, Ressourceneffizienz und Transparenz erzielt werden. Der vorliegende Beitrag präsentiert die gewonnenen Erkenntnisse und zeigt auf, wie die dargestellte Digitalisierung der Modellfabrik dazu beiträgt, Nachhaltigkeit und Effizienz in der Leichtbauproduktion durch intelligente Vernetzung, automatisierte Produktionssysteme, Echtzeit-Abbildung, Überwachung und Steuerung sowie flexibles Produktionsdesign zu erreichen. Darüber hinaus werden die Potenziale für die Weiterentwicklung und Skalierung der erprobten Lösungen in der industriellen Anwendung diskutiert, um den Weg für eine zukunftsorientierte und wettbewerbsfähige Leichtbauproduktion in der Luftfahrtindustrie und darüber hinaus zu ebnen. Im Einklang mit den übergeordneten Zielen von LaiLa und dtec trägt die Modellfabrik dazu bei, die Digitalisierung in der Leichtbauproduktion voranzutreiben und die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Luftfahrtindustrie zu stärken. Durch die enge Zusammenarbeit von Partnern aus Industrie und Wissenschaft fördert LaiLa den Technologietransfer und die Entwicklung innovativer Lösungen.

Deutsch: In der modernen industriellen Fertigung lässt sich trotz hoher Stückzahlen eine zunehmende Individualisierung der Produkte beobachten. Die Digitalisierung, insbesondere im Kontext von Industrie 4.0 und 5.0, bietet großes Potenzial, diesen Trend zu beschleunigen und Marktbedürfnisse zielgerichteter zu befriedigen. Digital Twins (DTs) spielen dabei eine zentrale Rolle, indem sie Transparenz schaffen und zuvor isolierte Unternehmensbereiche verknüpfen. Trotz intensiver Forschungsbemühungen weisen DT-Projekte in der Industrie im Jahr 2024 noch einen geringen Reifegrad auf. Diese Dissertation untersucht anhand umfangreicher empirischer Studien die Gründe für den niedrigen Reifegrad von DTs in Fertigungsunternehmen und identifiziert dabei technische, organisatorische und methodische Herausforderungen. Der Fokus liegt besonders auf organisatorischen und methodischen Faktoren wie der Kostenbewertung, der Benutzerakzeptanz und der Zielsetzung, die zentrale Hürden darstellen. Zur Bewältigung dieser Handlungsfelder wurde ein neuartiges Framework entwickelt, das die Entwicklung und Implementierung von DTs systematisiert und die Erfolgsaussichten solcher Projekte erhöht. Das Kober Digital Twin Framework (KDTF) umfasst fünf neu entwickelte Modelle: 1. Digital Twin Stakeholder Communication Model (DT-SCM): Ein ganzheitliches Modell, das die Kommunikation zwischen den Stakeholdern durch eindeutig definierte Dimensionen verbessert. 2. Digital Twin Fidelity Requirements Model (DT-FRM): Ein strukturiertes Modell zur präzisen Zielsetzung und Priorisierung von Einflussfaktoren. 3. Digital Twin Benefit Curves (DT-BC): Grafische Darstellungen der Beziehung zwischen DT-Fidelity, Mehrkosten und Einsparpotenzialen. 4. Digital Twin Fidelity Calculation Model (DT-FCM): Ein methodischer Ansatz zur Berechnung der optimalen DT-Fidelity. 5. Digital Twin Cost-Benefit Framework (DT-CBF): Ein systematisches Modell zur Identifizierung und Bewertung der Potenziale und Kosten von DTs. Es wurde mithilfe der Design Science Research (DSR) Methodik entwickelt und validiert, welche eine flexible, iterative Entwicklung und kontinuierliche Verbesserung ermöglichte. Die übergeordnete Validierung des gesamten Frameworks erfolgte anhand eines fortschrittlichen Fallbeispiels aus der industriellen Praxis eines innovativen Sägewerks. Es wurde deutlich, dass das Framework die Entwicklung und Implementierung wirtschaftlich erfolgreicher und technisch komplexer DTs ermöglicht. Fertigungsunternehmen werden dabei unterstützt, ein optimales Kosten-Nutzen-Verhältnis bei der Entwicklung und Implementierung von DTs zu realisieren und informierte Entscheidungen der verantwortlichen Stakeholder zu fördern. Abschließend stellt das in dieser Dissertation entwickelte Framework eine wesentliche Innovation dar, die sowohl wissenschaftlich fundiert ist als auch praktische Anwendung findet. Es trägt dazu bei, die Verbreitung von DTs in der Fertigung zu fördern und sichert somit die nachhaltige Relevanz dieses Forschungsfeldes.