Zielorientierte und nutzenzentrierte Entwicklung und Implementierung von Digital Twins in Fertigungsunternehmen
Translated title
Target- and value-oriented development and implementation of Digital Twins in manufacturing companies
Publication date
2024-11-19
Document type
Dissertation
Author
Advisor
Referee
Westkämper, Engelbert
Granting institution
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg
Exam date
2024-11-15
Organisational unit
Part of the university bibliography
✅
DDC Class
620 Ingenieurwissenschaften
338 Produktion
Keyword
Digital Twin
Digital Twin development
Digital Twin implementation
Digital Twin challenges
Digital Twin value
Digital Twin in manufacturing
Industry 4.0
Framework
Abstract
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.
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.
English:
In modern industrial manufacturing, increasing individualisation of products continues to occur despite high production volumes. Digitalisation, especially in the context of Industry 4.0 and 5.0, offers substantial potential to accelerate this trend and meet market needs more effectively. Digital Twins (DTs) play a central role by creating transparency and linking isolated company areas. Despite intensive research efforts, DT projects in industry still exhibit a low maturity level in 2024.
This dissertation investigates the reasons for the low maturity level of DTs in manufacturing companies through comprehensive empirical studies, identifying technical, organisational, and methodological challenges. The focus lies on organisational and methodological aspects such as cost assessment, user acceptance, and target-setting, which represent particularly significant barriers.
To address these challenges, a novel framework has been developed to systematise the development and implementation of DTs and improve the prospects of success for such projects. The Kober Digital Twin Framework (KDTF) consists of five newly developed models:
1. Digital Twin Stakeholder Communication Model (DT-SCM): A holistic model that improves communication between stakeholders through clearly defined dimensions.
2. Digital Twin Fidelity Requirements Model (DT-FRM): A structured model for precise target-setting and prioritisation of influencing factors.
3. Digital Twin Benefit Curves (DT-BC): Graphical representations of the relationship between DT fidelity, additional costs, and savings potentials.
4. Digital Twin Fidelity Calculation Model (DT-FCM): A methodical approach for calculating the optimum DT fidelity.
5. Digital Twin Cost-Benefit Framework (DT-CBF): A systematic model for identifying and evaluating the potentials and costs of DTs.
It was developed and validated using the Design Science Research (DSR) methodology, which enabled flexible, iterative development and continuous improvement. The framework's overall validation was conducted using an advanced case study from the industrial practice of an innovative sawmill.
Findings demonstrate that the framework facilitates the development and implementation of economically successful and technically complex DTs. It supports manufacturing companies in achieving an optimal cost-benefit ratio in the development and implementation of DTs and promotes informed decisions by key stakeholders.
In conclusion, the developed framework constitutes a notable contribution that is both scientifically sound and practically applicable. It contributes to improving the adoption of DTs in manufacturing and ensures the relevance of this research field in the long term.
In modern industrial manufacturing, increasing individualisation of products continues to occur despite high production volumes. Digitalisation, especially in the context of Industry 4.0 and 5.0, offers substantial potential to accelerate this trend and meet market needs more effectively. Digital Twins (DTs) play a central role by creating transparency and linking isolated company areas. Despite intensive research efforts, DT projects in industry still exhibit a low maturity level in 2024.
This dissertation investigates the reasons for the low maturity level of DTs in manufacturing companies through comprehensive empirical studies, identifying technical, organisational, and methodological challenges. The focus lies on organisational and methodological aspects such as cost assessment, user acceptance, and target-setting, which represent particularly significant barriers.
To address these challenges, a novel framework has been developed to systematise the development and implementation of DTs and improve the prospects of success for such projects. The Kober Digital Twin Framework (KDTF) consists of five newly developed models:
1. Digital Twin Stakeholder Communication Model (DT-SCM): A holistic model that improves communication between stakeholders through clearly defined dimensions.
2. Digital Twin Fidelity Requirements Model (DT-FRM): A structured model for precise target-setting and prioritisation of influencing factors.
3. Digital Twin Benefit Curves (DT-BC): Graphical representations of the relationship between DT fidelity, additional costs, and savings potentials.
4. Digital Twin Fidelity Calculation Model (DT-FCM): A methodical approach for calculating the optimum DT fidelity.
5. Digital Twin Cost-Benefit Framework (DT-CBF): A systematic model for identifying and evaluating the potentials and costs of DTs.
It was developed and validated using the Design Science Research (DSR) methodology, which enabled flexible, iterative development and continuous improvement. The framework's overall validation was conducted using an advanced case study from the industrial practice of an innovative sawmill.
Findings demonstrate that the framework facilitates the development and implementation of economically successful and technically complex DTs. It supports manufacturing companies in achieving an optimal cost-benefit ratio in the development and implementation of DTs and promotes informed decisions by key stakeholders.
In conclusion, the developed framework constitutes a notable contribution that is both scientifically sound and practically applicable. It contributes to improving the adoption of DTs in manufacturing and ensures the relevance of this research field in the long term.
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