Das Dokument ist ein Corrigendum zu dem veröffentlichten Paper ”Data-Driven Digital Twins in Surgery utilizing Augmented Reality and Machine Learning”. Es enthält Korrekturen zu den fehlerhaften Abschnitten des Originalpapers. / This document is a corrigendum for the published paper 'Data-Driven Digital Twins in Surgery utilizing Augmented Reality and Machine Learning'. It contains corrections for faulty sections of the original paper.

<p dir="ltr">Since the 1990s, the use of commercial off-the-shelf (COTS) microelectronics in extreme applications – such as military, aerospace, and space missions – has grown significantly. This shift was initially driven by cost savings and rapid technological advancements, a trend that accelerated in the 2000s due to increasing demand for electronics in harsh environments. Over the past decade, industries such as automotive (e.g., autonomous vehicles) and space (e.g., low-earth orbit/LEO satellite constellations) have also adopted COTS electronics. However, reliability concerns persist, especially in complex chip-package-board interactions under extreme conditions. Operating environments, which include high radiation, temperature fluctuations, and moisture, present significant challenges. New failure modes have emerged, such as increased leakage current, mass loss from volatile components, and corrosion.</p><p dir="ltr">This thesis offers a system-level, physics-based approach to reliability modeling. It examines the combined impact of heat, moisture, charge, and radiation transport (e.g., high energy protons) in integrated circuits (ICs), packaging, and boards. We provide a detailed analysis of ion transport and charge injection in a system involving epoxy polymers and metal contacts (typical of packaging) under extreme dry and wet conditions. Furthermore, this thesis explores the reliability of plastic packages in radiation-intense and space environments. A generalized model for predicting corrosion failures in self-heated ICs is developed, considering global environmental variations such as temperature and humidity. The work also proposes real-time age monitoring of COTS components for critical high-security applications. In summary, this thesis introduces innovative reliability strategies for modern microelectronic systems, providing a comprehensive general framework to predict failures in harsh environments.</p>

<p dir="ltr">The transportation sector accounts for the most greenhouse gas emissions among all economic sectors. Thus, making our transportation systems sustainable is crucial for achieving the national 2050 net-zero emission goal. This thesis aims to explore the application of cutting-edge technologies for advancing sustainable transportation. A framework that analyzes technologies and their potential applications across different transportation modes and scales is proposed and demonstrated through two case studies.</p><p dir="ltr">The first case study focuses on developing a digital twin-based cooperative driving system for Connected and Automated Vehicles (CAVs) at roundabouts. An experiment conducted in a digital twin simulation environment shows that the cooperative driving system reduces emissions and energy consumption significantly while enhancing safety and maintaining efficiency.</p><p dir="ltr">The second case study proposed a Multi-Layer Perceptron (MLP)-based prediction structure to iteratively predict future flight demand with historical data and future population and personal income data. Compared with Terminal Area Forecasting (TAF) projection data, the difference in the year 2050 is only around 8%. Ultimately, the applications of future aviation fuel demand estimation and future Sustainable Aviation Fuel (SAF) distribution strategy exploration are showcased, leveraging the prediction result of the flight demand in 2050.</p><p dir="ltr">Through the two case studies, the thesis demonstrates the effectiveness of the proposed framework and reveals the significant potential of cutting-edge technologies, such as digital twin, CAVs, and SAF, in achieving sustainability in the transportation sector. These findings provide valuable insights for policymakers, industry stakeholders, and researchers to promote innovation and application of sustainable transportation technologies and ultimately achieve the net-zero emission goal.</p>

Beim Entwurf von Bauwerken herrschen nach wie vor große Modellunsicherheiten aufgrund von Unterbemessungen. Trotz der Anwendung hoher Sicherheitsfaktoren wird die Erfüllung der Sicherheitsanforderungen an Bauwerke wegen steigender Sicherheitsbedürfnisse der Gesellschaft und daraus resultierender Vorschriften immer aufwändiger. Eine Reduktion der Sicherheitsfaktoren und damit materielle und zeitliche Einsparungen bei Bauwerken sowie Konstruktions- und Überwachungsprozessen erfordert neue Methoden für eine zuverlässigere Vorhersage des Bauwerksverhaltens. Das seit Langem bekannte Verfahren der Systemidentifikation durch Parameterstudien ist hierbei aufgrund fehlender Werkzeugunterstützung und daraus resultierendem hohen manuellen Aufwand bisher nicht geeignet, um ein hinreichend genaues Ergebnis zur Reduktion der Sicherheitsfaktoren bei gleichbleibendem nachweisbaren Sicherheitsniveau zu liefern. Die hier entwickelte Automatisierung des Prozesses der neuartigen simulationsbasierten Systemidentifikation ermöglicht die Durchführung von Parameterstudien mit einer ausreichend großen Anzahl von Modellvarianten, um realitätsnahe Systeme für hinreichend genaue Verhaltensvorhersagen bereitzustellen. Für die simulationsbasierte Systemidentifikation wird ein neues generisches Software-gestütztes Prozessmodell konzipiert, das an wechselnde Anforderungen adaptiert und in komplexe Optimierungsverfahren integriert werden kann. Die Simulations- und Hilfsprozesse sind in Building Information Modeling (BIM) eingebettet, wobei mit Hilfe der Multimodellmethode ein gemeinsamer Datenraum für einen komplexen Digital Twin (DT) geschaffen wird. Als Basisarchitekturkonzept für die Umsetzung des entwickelten Prozessmodells im Rahmen eines DT dient das integrated Virtual Engineering Laboratory (iVEL). Dieses definiert Merkmale sowie Anforderungen für die konkrete Umsetzung eines integrierten DT in einer Software-Plattform. Zur Maximierung der Adaptierbarkeit bei der Erstellung bzw. Anpassung iVEL-basierter DT an unterschiedliche Aufgabenstellungen wird das BIMgrid-Framework entwickelt und in Java formalisiert. Dieses kapselt elementare Funktionen in Services, die anwendungsfallspezifisch zur Lösung komplexer Aufgaben kombiniert und durch Workflows gesteuert werden. Im Mittelpunkt stehen dabei die Erforschung einer grundlegenden Prozessinfrastruktur zur automatisierten Durchführung simulationsbasierter Systemidentifikationen, eine BIM-basierte Datenverwaltung auf der Grundlage von Multimodellen sowie die Anwendung moderner Web-Prinzipien zur Unterstützung kollaborativer Projekt-Teams. Eine Referenzimplementierung des Frameworks demonstriert die Umsetzbarkeit des Konzeptes und dient als Ausgangspunkt zur Implementierung eigener iVEL-basierter DT.:Vorwort iii Kurzfassung iv Abstract v 1 Einleitung 1 1.1 Motivation und Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Zielsetzung und Forschungshypothesen . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 Lösungsansatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4 Abgrenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.5 Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 Stand der Forschung 10 2.1 BIM Plattformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2 Microservice-basierte Systemarchitektur . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3 Modellierung und Automatisierung komplexer Prozesse . . . . . . . 16 2.4 Digital Twins im Bauingenieurwesen und Maschinenbau . . . . . . 21 2.5 Multimodellbasierte Datenverwaltung . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.6 Methoden zur Systemidentifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.7 Das Virtuelle Energielabor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.8 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3 Generischer Prozess für simulationsbasierte Systemidentifikationen 32 3.1 Simulationsbasierte Systemidentifikationen im Bauwesen . . . . . . 32 3.2 Variantendefinition und Variantengenerierung . . . . . . . . . . . . 34 3.2.1 Reduktion der Modellkandidaten durch Sensitivitätsanalyse . 36 3.2.2 Strategien zur Variantengenerierung . . . . . . . . . . . . . 37 3.3 Anforderungen an das IT-gestützte Prozessmodell . . . . . . . . . . 38 3.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4 Adaptierbares Prozessmodell für IT-gestützte Simulationsaufgaben 42 4.1 Logische und technische Abstraktionsstufen von Prozessen . . . . . 42 4.2 Ein generisches Prozessmodell für simulationsbasierte Systemidentifikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.3 Bewertung des Prozessmodells hinsichtlich der gestellten Anforderungen 46 4.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5 BIM-basierte Verwaltung von Digitalen Zwillingen mit Multimodellen 50vii 5.1 Evolution integrierter Digitaler Zwillinge im Gebäudelebenszyklus . 50 5.2 Anwendungsbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 6 Ein generisches IT-Framework für Digitale Zwillinge auf Basis virtueller Labore 57 6.1 Das Virtuelle Labor zur Simulation von Ingenieursystemen . . . . . 58 6.1.1 GeoTech Control-Plattform zur Sicherheitsüberwachung des Bauprozesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 6.1.2 Virtuelles Energielabor zur Optimierung der Energiebilanz von Gebäuden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 6.1.3 Gegenüberstellung der Referenzimplementierungen eines Virtuellen Labors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 6.1.4 Das Konzept des integrierten Virtuellen Ingenieurlabors . . . 62 6.2 Das BIMgrid Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 6.2.1 Funktionalität des BIMgrid Frameworks . . . . . . . . . . . 64 6.2.2 Architektur des BIMgrid Frameworks . . . . . . . . . . . . 65 6.2.3 Orchestration Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 6.2.4 Workflow Engine Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 6.2.5 Business Core Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 6.2.6 Multimodel Engine Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 6.3 Schichtenmodell für die Verwaltung von Digitalen Zwillingen . . . 75 6.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 7 Detaillierung und Implementierung eines integrierten Digitalen Zwillings auf Basis des BIMgrid Frameworks 80 7.1 Vorbereitende strategische Schritte zur Instanziierung des Frameworks 81 7.2 Referenzimplementierung des Frameworks . . . . . . . . . . . . . . 82 7.2.1 Eingesetzte Technologien und Frameworks . . . . . . . . . 83 7.2.2 REST-basierte Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . 88 7.2.3 Ressourcenverwaltung und Skalierbarkeit . . . . . . . . . . 89 7.2.4 Workflow Engine Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 7.2.4.1 Konfiguration anwendungsspezifischer Workflows 91 7.2.5 Business Core Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 7.2.6 Multimodel Engine Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 7.2.7 Frontend des Digitalen Zwillings . . . . . . . . . . . . . . . 97 7.2.8 Service-Orchestrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 7.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 8 Evaluation des BIMgrid Frameworks anhand zweier Implementierungen unterschiedlicher funktionaler Anwendungen 103 8.1 Ein Digitaler Zwilling für Optimierungen in der Bauphase . . . . . 104 8.1.1 GeoProduction Workflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 8.1.2 GeoProduction Digitaler Zwilling auf Basis des BIMgrid Frameworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 8.1.3 Multimodellbasierte Datenverwaltung des Digital Twin . . . 111 8.1.3.1 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 8.2 Ein virtuelles Labor zur Brückenüberwachung . . . . . . . . . . . . 114viii 8.2.1 cyberBridge Workflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 8.2.2 cyberBridge Digitaler Zwilling auf Basis des BIMgrid Frameworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 8.2.3 Multimodell des Digital Twin . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 8.2.4 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 8.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 9 Diskussion und Ausblick 126 9.1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 9.2 Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 9.3 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 9.3.1 Einsatz Künstliche Intelligenz (KI)-basierter Methoden zur Steigerung der Automatisierung . . . . . . . . . . . . . . . 133 9.3.2 Automatisierung der Link-Erzeugung in multimodellbasierten Digital Twins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 9.3.3 Weiterentwicklung des iVEL-Konzeptes zur automatisierten Steuerung von Abläufen und Geräten . . . . . . . . . . . . 135 9.3.4 Berücksichtigung juristischer Aspekte bei kollaborativen Nutzung verteilter Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 A Implementierung eines integrierten Digitalen Zwillings auf Basis des BIMgrid Frameworks 137 Literaturverzeichnis 141 Eigene Publikationen 150 / When designing buildings, there are still major model uncertainties because of undersizing. Despite the application of high safety factors, meeting security requirements for buildings is becoming more and more difficult due to the increasing security needs of society and the resulting regulations. A reduction in safety factors and therefore material and time savings in buildings, as well as construction and monitoring processes requires new methods for more reliable prediction of structural behavior. The method of system identification through parameter studies, which has been known for a long time, was not suitable for a sufficiently accurate result due to the lack of tool support and the resulting high manual effort to reduce the safety factors while maintaining the same verifiable safety level. Automating the process of the novel simulation-based system identification enables parametric studies to be performed with a large enough number of model variants to provide realistic systems for sufficiently accurate behavioral predictions. A softwaresupported process model is created for the simulation-based system identification, which can be adapted to changing requirements and integrated into complex optimization processes. The simulation and auxiliary processes are embedded in BIM, whereby a common data space for a complex DT is created with the help of the multimodel method. The iVEL serves as a basic architectural concept for the implementation of the developed process model as part of a DT. It defines features and requirements for the concrete implementation of an integrated DT in a software platform. In order to maximize adaptability when creating or adapting iVEL-based DT to different application scenarios, the BIMgrid framework is developed and formalized in Java. Elementary functions are encapsulated in services, which are combined in a specific application to solve complex tasks and which are controlled by workflows. The focus is on researching a basic process infrastructure for the automated execution of simulationbased system identifications, BIM-based data management based on multimodels and the application of modern web principles to support collaborative project teams. A reference implementation of the framework demonstrates the feasibility of the concept and serves as a starting point for implementing your own iVEL-based DT.:Vorwort iii Kurzfassung iv Abstract v 1 Einleitung 1 1.1 Motivation und Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Zielsetzung und Forschungshypothesen . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 Lösungsansatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4 Abgrenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.5 Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 Stand der Forschung 10 2.1 BIM Plattformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2 Microservice-basierte Systemarchitektur . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3 Modellierung und Automatisierung komplexer Prozesse . . . . . . . 16 2.4 Digital Twins im Bauingenieurwesen und Maschinenbau . . . . . . 21 2.5 Multimodellbasierte Datenverwaltung . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.6 Methoden zur Systemidentifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.7 Das Virtuelle Energielabor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.8 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3 Generischer Prozess für simulationsbasierte Systemidentifikationen 32 3.1 Simulationsbasierte Systemidentifikationen im Bauwesen . . . . . . 32 3.2 Variantendefinition und Variantengenerierung . . . . . . . . . . . . 34 3.2.1 Reduktion der Modellkandidaten durch Sensitivitätsanalyse . 36 3.2.2 Strategien zur Variantengenerierung . . . . . . . . . . . . . 37 3.3 Anforderungen an das IT-gestützte Prozessmodell . . . . . . . . . . 38 3.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4 Adaptierbares Prozessmodell für IT-gestützte Simulationsaufgaben 42 4.1 Logische und technische Abstraktionsstufen von Prozessen . . . . . 42 4.2 Ein generisches Prozessmodell für simulationsbasierte Systemidentifikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.3 Bewertung des Prozessmodells hinsichtlich der gestellten Anforderungen 46 4.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5 BIM-basierte Verwaltung von Digitalen Zwillingen mit Multimodellen 50vii 5.1 Evolution integrierter Digitaler Zwillinge im Gebäudelebenszyklus . 50 5.2 Anwendungsbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 6 Ein generisches IT-Framework für Digitale Zwillinge auf Basis virtueller Labore 57 6.1 Das Virtuelle Labor zur Simulation von Ingenieursystemen . . . . . 58 6.1.1 GeoTech Control-Plattform zur Sicherheitsüberwachung des Bauprozesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 6.1.2 Virtuelles Energielabor zur Optimierung der Energiebilanz von Gebäuden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 6.1.3 Gegenüberstellung der Referenzimplementierungen eines Virtuellen Labors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 6.1.4 Das Konzept des integrierten Virtuellen Ingenieurlabors . . . 62 6.2 Das BIMgrid Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 6.2.1 Funktionalität des BIMgrid Frameworks . . . . . . . . . . . 64 6.2.2 Architektur des BIMgrid Frameworks . . . . . . . . . . . . 65 6.2.3 Orchestration Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 6.2.4 Workflow Engine Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 6.2.5 Business Core Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 6.2.6 Multimodel Engine Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 6.3 Schichtenmodell für die Verwaltung von Digitalen Zwillingen . . . 75 6.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 7 Detaillierung und Implementierung eines integrierten Digitalen Zwillings auf Basis des BIMgrid Frameworks 80 7.1 Vorbereitende strategische Schritte zur Instanziierung des Frameworks 81 7.2 Referenzimplementierung des Frameworks . . . . . . . . . . . . . . 82 7.2.1 Eingesetzte Technologien und Frameworks . . . . . . . . . 83 7.2.2 REST-basierte Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . 88 7.2.3 Ressourcenverwaltung und Skalierbarkeit . . . . . . . . . . 89 7.2.4 Workflow Engine Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 7.2.4.1 Konfiguration anwendungsspezifischer Workflows 91 7.2.5 Business Core Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 7.2.6 Multimodel Engine Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 7.2.7 Frontend des Digitalen Zwillings . . . . . . . . . . . . . . . 97 7.2.8 Service-Orchestrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 7.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 8 Evaluation des BIMgrid Frameworks anhand zweier Implementierungen unterschiedlicher funktionaler Anwendungen 103 8.1 Ein Digitaler Zwilling für Optimierungen in der Bauphase . . . . . 104 8.1.1 GeoProduction Workflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 8.1.2 GeoProduction Digitaler Zwilling auf Basis des BIMgrid Frameworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 8.1.3 Multimodellbasierte Datenverwaltung des Digital Twin . . . 111 8.1.3.1 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 8.2 Ein virtuelles Labor zur Brückenüberwachung . . . . . . . . . . . . 114viii 8.2.1 cyberBridge Workflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 8.2.2 cyberBridge Digitaler Zwilling auf Basis des BIMgrid Frameworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 8.2.3 Multimodell des Digital Twin . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 8.2.4 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 8.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 9 Diskussion und Ausblick 126 9.1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 9.2 Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 9.3 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 9.3.1 Einsatz Künstliche Intelligenz (KI)-basierter Methoden zur Steigerung der Automatisierung . . . . . . . . . . . . . . . 133 9.3.2 Automatisierung der Link-Erzeugung in multimodellbasierten Digital Twins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 9.3.3 Weiterentwicklung des iVEL-Konzeptes zur automatisierten Steuerung von Abläufen und Geräten . . . . . . . . . . . . 135 9.3.4 Berücksichtigung juristischer Aspekte bei kollaborativen Nutzung verteilter Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 A Implementierung eines integrierten Digitalen Zwillings auf Basis des BIMgrid Frameworks 137 Literaturverzeichnis 141 Eigene Publikationen 150

For manufacturers of complex interdisciplinary system solutions, the Digital Thread is an essential element that serves as the backbone of technical and organizational data flows. This study proposes a graph-based Digital Thread that integrates a Digital Model and a derived Digital Twin in a native graph database in a polyglot architecture. The approach includes dynamic processes such as advanced interdisciplinary change management and additional data from different lifecycle phases, using objects and relations described by attributes to minimize redundancy while enabling view creation and filtering. Companies often have discipline-oriented IT landscapes that create data silos and prevent contextbased integration of data and process models. The Digital Thread as a backbone represents an approach to overcome these silos as a system lifecycle-spanning system.

Die Verbindung von Robotern mit Virtual Reality (VR) zur Echtzeitvisualisierung stellt eine erhebliche Programmierherausforderung dar. Dieser Vortrag zeigt einen vereinfachten Ansatz unter Verwendung des Robot Operating System (ROS), einer Open-Source-Plattform, die diese Aufgabe erleichtert. Durch den Einsatz von ROS kann der Programmieraufwand deutlich reduzieren werden, indem vorhandene Pakete für eine nahtlose Integration von Robotern und VR genutzt werden. In dieser Präsentation wird schrittweise erläutert, wie diese Verbindung realisiert wird, was neue Möglichkeiten in der Visualisierung und Steuerung von Robotern mit minimalem Programmieraufwand erschließt. Diese Methode ebnet den Weg für innovative Anwendungen in Robotik und VR und bietet praktische Einblicke für Entwickler und Forscher. / Connecting robots with Virtual Reality (VR) for real-time visualization poses a significant programming challenge. This presentation demonstrates a simplified approach using the Robot Operating System (ROS), an open-source platform that facilitates this task. By utilizing ROS, the programming effoit can be significantly reduced by leveraging existing packages for seamless robot-VR integration. This presentation will explain step-by-step how this connection can be realized, opening new possibilities in visualization and control of robots with minimal programming effort. This method paves the way for innovative applications in robotics and VR, providing practical insights for developers and researchers.

Background. In today’s fast-paced business world, there is a notable shift from product-centric to solution-centric approaches driven by discussions around sustainability. This shift underscores the increasing demand for Product-Service systems as companies strive to adapt to evolving customer needs. Digital Twin-based approaches have emerged as a potential tool in this landscape, providing new methods for gathering customer insights. The construction industry is a crucial sector vital to economic growth, accounting for approximately 10 percent of the gross domestic product of many countries. However, it faces several challenges, including low productivity, unpredictability, and slow innovation. Objectives. The aim of this thesis is to propose a system that improves through-life support in heavy construction equipment. Additionally, the potential benefit of utilizing a Digital Twin for the development of Product-Service Systems will be suggested based on the developed system. Methods. In this thesis, the design approach was chosen to be Design Thinking to provide a structured framework that fits the uncertain and iterative process that the project demands. Furthermore, the tools and methods from Design Thinking were utilized to ensure the final solution was developed with creative support and constant concept feedback to address the user’s needs. Results. This thesis results in three potential areas of improvement in the through-life support of construction equipment, concepts that could address these, and the problem that is stopping their realization. Furthermore, a proposed solution to this problem has been developed that could enable the implementation of Digital Twins in construction equipment. Conclusions. This thesis finds that data collection issues prevent the implementation of Digital Twins in construction equipment. It also presents several potential strengths and weaknesses of Digital Twins in Product-Service System development.Additionally, it presents some future directions in Digital Twins and Product-Service Systems that need further work. / Bakgrund. I dagens snabba och skiftande affärsvärld sker en märkbar flytt från produktcentrerade till lösning-centrerade tillvägagångssätt, drivna av diskussioner kring hållbarhet. Denna förändring framhäver den ökande efterfrågan på Produkt-Tjänstesystem för företag som strävar efter att anpassa sig till det ändrande kundbehovet. Digital Tvilling-baserade tillvägagångssätt har framträtt som ett potentiellt verktyg i detta sammanhang, och erbjuder nya metoder för att samla kunskap om kunderna. Byggindustrin är en avgörande sektor för ekonomisk tillväxt och står för cirka 10 procent av många länders bruttonationalprodukt. Dock står den inför flera utmaningar som låg produktivitet, oförutsägbarhet och långsam innovation. Syfte. Syftet med detta examensarbete är att föreslå ett system som förbättrar service genom hela livscykeln för anläggningsmaskiner. Dessutom kommer de potentiella fördelarna med att använda en Digital Tvilling för utvecklingen av Produkt- Tjänstesystem att föreslås baserat på det utvecklade systemet. Metod. I detta arbete valdes designmetoden Design Thinkin för att tillhandahålla en strukturerad ram som passar den osäkra och iterativa processen som projektet kräver. Dessutom användes verktyg och metoder från Design Thinking för att säkerställa att den slutliga lösningen utvecklades med kreativt stöd och konstant konceptfeedback för att vara riktat mot användarens behov. Resultat. Examensarbetet resulterar i tre potentiella förbättringsområden inom service genom hela livscykeln för anläggningsmaskiner, koncept som kan adressera dessa och det problem som hindrar deras förverkligande. Dessutom har en föreslagen lösning på detta problem utvecklats som kan möjliggöra implementeringen av Digitala Tvillingar i anläggningsmaskiner. Slutsatser. Arbetet konstaterar att problem med datainsamling förhindrar implementeringen av Digitala Tvillingar i anläggningsmaskiner. Det presenterar också flera potentiella styrkor och svagheter hos Digitala Tvillingar i utvecklingen av Produkt-Tjänstesystem. Dessutom presenteras några områden inom Digitala Tvillingar och Produkt-Tjänstesystem som behöver ytterligare arbete.

This paper presents a comprehensive study on the implementation of real-time digital twins for industrial cobots, with a focus on the ABB GoFa CRB 15000 cobot. It highlights the relevance of digital twins in the context of Industry 4.0 and their ability to improve operational efficiency by representing physical processes in virtual models. The project's primary objective is to develop a real-time digital twin system to develop the bidirectional monitoring and control of industrial cobots, particularly in assembly tasks. This paper addresses the challenges encountered and the proposed solution, which include offline and online programming, the adoption of the OPC UA protocol for communication, and the use of ABB RobotStudio for simulation. A framework for understanding the implementation is provided, followed by a detailed analysis of the results obtained, as well as discussion and conclusions. An exploration of possible future work is also included, providing a comprehensive view of the project and its importance in the field of industrial robotics and digital twin technology.

In der Produktionstechnik verstärken sich parallel zum Trend der Individualisierung von Produkten seit Längerem die Bedürfnisse nach der Sicherstellung einer gleichbleibenden Produktqualität, von schnelleren Produktanläufen und einer Kostenreduktion im globalen Wettbewerb. Bezogen auf die Umformtechnik als Verfahren der (Groß-)Serienfertigung beeinflussen das Umformwerkzeug sowie dessen Entstehungsprozess maßgeblich diese Herausforderungen. Besonders im Bereich der Blechumformung kommt dem weitgehend erfahrungsbasierten und manuellen Tryout-Prozess von Umformwerkzeugen eine hohe Relevanz aufgrund seines Einflusses auf das Produkt sowie als Faktor bezüglich des monetären und zeitlichen Aufwandes zu. Einer der dominierenden Einflussfaktoren hierbei ist das Verhalten der beteiligten Umformmaschine, wodurch sich erhebliche Einsparpotentiale durch dessen Kenntnis sowie die Einbeziehung in den dem Tryout vorgelagerten Konstruktionsprozess des Umformwerkzeuges ergeben. Für die Modellierung von Umformmaschinen existieren zum derzeitigen Zeitpunkt verschiedene Ansätze, die in Formulierung, Umfang und Zielsetzung individuell auf den jeweiligen Einsatzfall hin zugeschnitten sind. Ein breiter Einsatz ist dabei bisher nicht möglich. Die vorliegende Abhandlung stellt deshalb die Erstellung weitgehend allgemein einsetzbarer Modelle des mechanischen Verhaltens von Umformmaschinen in den Vordergrund. Diese ermöglichen eine Verkürzung des Werkzeugentstehungsprozesses insbesondere durch eine frühzeitige Digitalisierung. Wünschenswerter Nebeneffekt ist ist die Qualifizierung der realen Umformmaschine durch einen digitalen Zwilling hin zu einem cyber-physischen Produktionssystem. Der Fokus liegt hierbei auf der Abbildung des elastischen Deformationsverhaltens der Umformmaschine, welches maßgeblich durch die Komponenten Pressenstößel und Pressentisch im Bereich der Spannflächen hin zum Umformwerkzeug bestimmt wird. Hierfür werden Ansätze für die Bildung von Modellen entwickelt, welche sowohl in Finite-Elemente-Simulationen als auch unabhängig von FE-Umgebungen verwendet werden können. Die Modelle basieren auf dem im Vorfeld zu vermessenden elastischen Verhalten der Spannflächen, für das Belastungsfälle definiert und Krafteinleitung sowie die messtechnische Erfassung der Verlagerungen umzusetzen sind. Anspruch der Modelle ist die korrekte Wiedergabe des Deformationsverhalten für beliebige aus dem jeweiligen Umformwerkzeug resultierende Belastungsverteilungen. Weiterhin gilt es zu ermitteln, welche Möglichkeiten durch die Kenntnis des elastischen Verhaltens und dessen Zugänglichkeit in FE-Simulationen entstehen. Hierfür wurde eine Validierung auf Basis eines Demonstratorwerkzeuges durchgeführt.

Im heutigen Produktionsumfeld erhöhen steigender Wettbewerbsdruck sowie Kundenanforderungen die Notwendigkeit, Terminpläne genau einzuhalten, speziell in der Phase vor dem Start der Produktion (SOP). Aus diesem Grund werden automatisierte Produktionssysteme in verschiedensten Industrien mittels virtueller Inbetriebnahme umfassend getestet, um Fehler bereits vor der realen Inbetriebnahme zu erkennen und somit Verzögerungen während der realen Inbetriebnahme zu vermeiden. Die Inbetriebnahmezeit kann dadurch um bis zu 30 % verkürzt werden. Grundlage der virtuellen Inbetriebnahme ist das virtuelle Inbetriebnahme-Modell. Während der realen Inbetriebnahme werden Geometrien, Schaltpläne und speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) durch Optimierungen verändert. Diese Änderungen fließen aber meist nicht in die Simulation ein, sodass nach erfolgter Inbetriebnahme die Simulation nicht mehr der realen Anlage entspricht. Infolgedessen bleibt das mögliche Potential des virtuellen Modells in der Betriebsphase von Anlagen ungenutzt. Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist es, eine Vorgehensweise zu erarbeiten, mit der das virtuelle Inbetriebnahme-Modell zu einem prozessaktuellen virtuellen Maschinenzwilling weiterentwickelt werden kann. Dieser soll während der Betriebsphase dazu dienen, zukünftige Maschinenzustände nachzubilden und somit z. B. Ausbringungsreduktionen vorherzusagen. Dazu wird eine Methode entwickelt, die es ermöglicht, Alterungsphänomene von Teilprozessen im Maschinenzwilling zu simulieren, deren Auswirkungen darzustellen und daraus Erkenntnisse für Produktion und Instandhaltung abzuleiten. Die Kombination von realen und simulierten Erkenntnissen erzeugt einen hybriden Vorhersageansatz als Werkzeug für die Instandhaltung. Anschließend wird die Vorgehensweise zur Weiterentwicklung sowie die Methode zur Simulation von Alterungseffekten an einem realen Anwendungsfall demonstriert und validiert. Dabei handelt es sich um einen Engpassprozess in der Produktion der neuesten Generation von Elektromotoren der BMW AG. Unvorhergesehene Ausbringungsverringerungen werden auf diese Weise minimiert und die Effektivität der Gesamtanlage bleibt erhalten. Die Produktion bleibt damit in der Lage, ihre Produkte zur richtigen Zeit, in der richtigen Qualität und Quantität, und dem richtigen Preis an den Kunden auszuliefern. / In today’s production environment, increased competition, and growing customer demands have made it ever more important to meet schedules, especially in the phase before the start of production (SOP). For this reason, automated production systems in various industries are thoroughly tested by using virtual commissioning in order to detect and eliminate errors at an early stage – before the real commissioning on site. This helps to avoid delays and can reduce commissioning times by up to 30 %. The basis of the virtual commissioning is the virtual model. During real commissioning, geometries, electrical plans (E-plans) and programmable logic controllers (PLC) are optimized and modified. However, these changes usually remain unconsidered as not being updated in the simulation, resulting in a model that no longer reflects the real plant. As a consequence, the virtual model is no longer used in the production phase. The aim and objective of this dissertation is to create a general procedure that allows the further development of the virtual commissioning model into a process-actual virtual machine twin. This virtual machine twin will serve during production to emulate future machine states in order to predict for example output reductions. To this end, a method-ology will be defined to simulate aging effects of critical processes and to determine the impact on the overall process. The results are used to derive recommendations for production and maintenance. The combination of real and simulated outcomes establishes a so-called 'Hybrid Predictive Maintenance System'. Ultimately, the general procedure for the further development and the methodology for simulating aging effects will be demonstrated and validated on a critical process in the electric engines production of BMW AG. As a result, unexpected downtimes are minimized, and the overall equipment effectiveness (OEE) is ensured. This enables the production to deliver products at the right time, in the right quality and quantity, and at the right price.