Das Engineering unterliegt derzeit einem massiven Wandel. Smarte Systeme und Technologien, Cybertronische Produkte, Big Data und Cloud Computing im Kontext des Internet der Dinge und Dienste sowie Industrie 4.0. Der amerikanische Ansatz des „Industrial Internet“ beschreibt diese (R)evolution jedoch weitaus besser als der eingeschränkte und stark deutsch geprägte Begriff Industrie 4.0. Industrial Internet berücksichtigt den gesamten Produktlebenszyklus und adressiert sowohl Konsum- und Investitionsgüter als auch Dienstleistungen. Dieser Beitrag beleuchtet das zukunftsträchtige Trendthema und bietet fundierte Einblicke in die vernetzte Engineering-Welt von morgen, auf Ihre Konstruktionsmethoden und –prozesse sowie auf die IT-Lösungen.

Aus der Einleitung: "Verschiedene Zielkonflikte zwischen den Anforderungen bzgl. Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit resultieren aus den Spannungsfeldern Umwelt, Wirtschaft und Technik (Busche 2014, Braess & Seiffert 2013). Richtungsentscheidungen bei der Festlegung der Anforderungen im Entwicklungsprozess auf Grundlage weniger Informationen bergen die Gefahr fehlerhafter Entscheidungen (Feldhusen & Grote 2013). Wird dies im weiteren Verlauf der Entwicklungsprozesse bemerkt sind Iterationsschleifen verbunden mit hohen Kosten notwendig, um dort nachzubessern (Ehrlenspiel et al. 2007). Der Grund für das große Informationsdefizit am Anfang des Entwicklungsprozesses sind die unbekannten Auswirkungen der Parametervariationen auf die Eigenschaften (Ehrlenspiel 2009). Diese resultieren u.a. aus den restriktiven Anforderungen, neuen Technologien oder alternativen Werkstoffen (Braess & Seiffert 2013). Muss das Nachfolgefahrzeug bspw. länger und flacher, bei gleicher Fahrdynamik werden oder leichter bei schärferen NVH- und Crash-Eigenschaften sein, müssen neue Strukturen, Materialien und Verfahren eingesetzt werden (Prinz 2011, Busche 2014). Bei Neukonstruktionen ist der Anteil unbekannter Auswirkungen noch höher (Ehrlenspiel 2009). ..."

Die anspruchsvollen Zielsetzungen zum CO2-Ausstoß von Kraftfahrzeugen verlangen immer stärker nach hocheffizienten Fahrzeugkonzepten und werden zukünftig zu deutlich höheren Elektrifizierungsanteilen der Antriebe führen. Die große Herausforderung liegt dabei in der Lösung des Zielkonfliktes zwischen voll elektrischem Fahren und erstfahrzeugtauglicher Reichweite. Im Rahmen eines Forschungsprojektes zur Konzeption von Hybridfahrzeugen hat die BMW Forschung ein Konzeptfahrzeug entwickelt, das im urbanen Bereich emissionsfrei betrieben werden kann und dennoch alltagstauglich für spontane längere Fahrten nutzbar ist (Abbildung 1). Die für dieses Projekt abgeleiteten Ziele waren ein Verbrauch von < 2,5 l im Ladungserhaltungsbetrieb, eine E-Reichweite von 100 km, eine BMW-adäquate Beschleunigung von < 8 sec von 0 auf 100 km/h, eine erstfahrzeugtaugliche Höchstgeschwindigkeit von 180 km/h, ein Raumangebot auf Niveau heutiger viersitziger Coupés im Kompaktsegment und eine Gesamtreichweite von 1.000 km (Eiletz 2015a). Im Rahmen des Beitrags werden sowohl Prozess und Vorgehensweise bei der Gestaltung des Hocheffizienz-Konzeptfahrzeugs als auch die Ergebnisse des Forschungsprojektes dargelegt.

Hintergrund Die strahlentherapeutische Behandlung von Krebserkrankungen erfolgt zurzeit hauptsächlich durch eine Bestrahlung mit hochenergetischen Photonen und Elektronen aus kompakten Therapie-Linearbeschleunigern. Seltener werden auch Protonenstrahlen eingesetzt. Diese besitzen gegenüber Photonen und Elektronen vorteilhaftere physikalische und strahlenbiologische Eigenschaften, die besonders bei der Bestrahlung von tiefliegenden Tumoren in der Nähe von lebenswichtigen, strahlenempfindlichen Organen von Bedeutung sind. Die Behandlung mit Protonen erfordert jedoch sehr große und teure Bestrahlungsanlagen, weshalb es weltweit bisher nur ca. 50 solcher Anlagen an großen Zentren gibt. In den letzten Jahren wurde das völlig neuartige Prinzip der Teilchenbeschleunigung durch Hochleistungslaser soweit entwickelt, dass eine medizinische Anwendung zur Krebstherapie vorstellbar ist. Die laserbasierte Teilchenbeschleunigung verspricht deutlich kompaktere und kostengünstigere Protonenbeschleuniger, erzeugt jedoch im Unterschied zu herkömmlichen Beschleunigern sehr kurze (~ps) hochintensive Protonenpulse mit großer Strahldivergenz und breitem Energiespektrum. Im Rahmen des Verbundprojektes onCOOPtics wird die klinische Anwendbarkeit derartiger laserbeschleunigter Protonenstrahlen untersucht, was nicht nur die Entwicklung des notwendigen Laser-Teilchen-Beschleunigers, sondern auch die Entwicklung eines geeigneten Strahlführungssystems beinhaltet.

Der Helmwasserfloh hat im Laufe der Evolution zwei erfolgreiche Verteidigungsstrategien gegen Fressfeinde entwickelt. Dies ist zum Einen die so genannte Zyklomorphose, eine Gestaltanpassung als Antwort auf jahreszeitlich peridisch auftretende Prädatoren, und zum Anderen die induzierte Carapaxverstärkung, mit der nach dem Häutungsvorgang auf temporäre Feinde reagiert wird. In diesem Beitrag wird die Auswirkung der Carapaxverstärkung auf das mechanische Verhalten des gesamtem Carapax strukturmechanisch untersucht. / The planctonic crustaceans Daphnia have developed two strategic defense devices against predators. At first there is the cyclomorphosis, a seasonal variation in body shape. In the second place we find an immediate reaction to a massive appearence of predators which results in a stronger microstructure of the carapace. The effect of the latter defense strategy is quantified by means of numerical methods of structural mechanics.

Einleitung Der Faktor Zeit nimmt in unserer heutigen Gesellschaft einen bedeutsamen Platz in den unterschiedlichsten Bereichen unseres Lebens und Wirkens ein. Beispielsweise verbreiten sich Nachrichten weltweit innerhalb von Minuten, Reisezeiten verkürzen sich von Tagen auf mehrere Stunden (Kurpjuweit 2013) und die Hersteller von Unterhaltungselektronik verkürzen die Produktlebenszyklen um neue Produkte schneller am Markt zu platzieren (Scheimann 2011). Die Reduzierung des Produktlebens ist bei vielen anderen Produkten des Konsum- und Investitionsgütermarktes festzustellen, da die Markteintrittsstrategie den möglichen Absatz des Produktes bestimmt (Meffert et al. 2008, S. 445f.). Der Erfolg eines Produktes ist jedoch eine Folge aus unterschiedlichen Aspekten, wobei die Zeit, neben der Qualität und den Kosten, einer der Hauptparameter ist. Demzufolge ist das Zusammenspiel dieser drei voneinander abhängigen Faktoren auch im Produktentwicklungsprozess zu berücksichtigen, um die geforderten Ziele zu erreichen (Burghardt 2013, S. 23). Diese werden durch den technologischen Fortschritt, die veränderten Bedürfnisse der Kunden und den internationalen Wettbewerb bedingt (Cooper 2010, S. 8ff.). Durch den Einsatz von strukturierten Produktentwicklungsprozessen können die Zielvorstellungen abteilungs- und aufgabenübergreifend berücksichtigt und kontrolliert werden. Anwendungsbeispiele für komplexe, aber systematische Produktentwicklungsprozesse sind in der Automobil- und IT-Branche zu finden (Braess 2013; Ruf & Fittkau 2008). Für die Produkte der Sicherheitstechnik muss bei der Entwicklung, Konstruktion und Fertigung jedoch ein Aspekt gesondert betrachtet werden – die Qualität. Es sind sehr hohe Anforderungen und Ansprüche zu erfüllen, die teilweise vom Gesetzgeber festgesetzt wurden, da die Sicherheit von Mensch und Maschine zu gewährleisten ist. Im Bereich des Explosionsschutzes, welcher als ein Teilgebiet der Sicherheitstechnik gilt, ist die Einhaltung von Richtlinien und Normen bei einer Produktentwicklung für den Markteintritt zwingend erforderlich. Neue Bauteile werden u.a. durch aufwändige Prüfungen von benannten Stellen erprobt. Diese Bedingungen beeinflussen den Produktentwicklungsprozess und die Konstruktionsmethodik im Explosionsschutz fundamental und charakterisieren den kosten- und zeitintensiven Vorgang durch aufwändige Iterationen (Träger et al. 2005).

Für komplexe Entwicklungsaufgaben von Großserienanwendungen mit hohem Reifegrad haben sich standardisierte Entwicklungsprozesse erfolgreich etabliert. Existieren diese für eine Aufgabenstellung nicht, kann bei überschaubarem Projektumfang gepaart mit hohem Neuheitsgrad ein Generalist den gesamten Entwicklungsprozess mit hoher Dynamik situativ und iterativ ohne Vorgegebene Ablaufstruktur erfolgreich leiten. Zur raschen und ganzheitlichen Erfassung von unbekanntem oder nicht hinreichend erfasstem (Teil-)Systemverhalten sowie der relevanten Interdependenzen und Einflussgrößen kann die menschliche Wahrnehmung bei der Testung von Spielmodellen und Prototypen einen wertvollen Beitrag leisten. Zur allgemeinen Nutzung des so erworbenen Wissens ist jedoch deren explizite Darstellung von zentraler Bedeutung. Anhand von zwei ausgewählten Praxisbeispielen wird dies verdeutlicht.

Aus "Ausgangssituation und Herausforderungen": "Produktionsunternehmen und insbesondere die Automobilindustrie unterliegen einem permanent wachsenden Wettbewerbsdruck. Ursache hierfür sind anhaltende rasante gesellschaftliche, politische, gesetzliche und technologische Veränderungen in einem globalen Markt. Daraus resultieren steigende Anforderungen an die zu entwickelnden und herzustellenden Produkte sowie die hierfür geeigneten Technologien, Prozesse, Organisationen und Qualifikationen der Mitarbeiter. Die dafür notwendige Innovationskraft eines Unternehmens ist für den Erhalt und Ausbau der Wettbewerbsfähigkeit eine Grundvoraussetzung und spielt im globalen Markt eine entscheidende Rolle (Tri, 2003). Die „Digitale Transformation“ ist in diesem Kontext eine der ganz großen Herausforderungen, die die Produktionsunternehmen in den kommenden Jahren meistern müssen. ..."

Aus der Einführung: "Stehen wir am Rande einer bio-nanotechnologischen getriebenen Revolution, die unsere Art zu leben, zu arbeiten und miteinander umzugehen grundlegend verändern wird? Welchem gesellschaftspolitischen, wirtschaftlichen und technologischen Wandel haben wir uns zu stellen? Langfristige Entwicklungszyklen (Kondratieff, Schumpeter) führen zur nachhaltigen Weiterentwicklung der Zivilisation. Mittelfristige Entwicklungen wie die Trends Globalisierung, Urbanisierung, Digitalisierung (Miniaturisierung) und Humanisierung (Individualisierung), die immer stärker unser Umfeld und Handeln beeinflussen führen zu ganzheitlichen, weltumspannenden Grundtendenzen der gesellschaftlichen Weiterentwicklung. Die technologischen "Enabler" Computing, Biotechnology, Artifical Intelligence, Robotik, Nanotechnology, Additive Manufacturing und Design Thinking wirken beschleunigend auf die gesellschaftlichen Entwicklungen ein. Die technologischen Möglichkeiten beschleunigen sowohl gesellschaftspolitische Zyklen und zivilisatorische Anpassungen. Durch rasanten technologischen, wissenschaftlichen Fortschritt, zunehmende Globalisierungswirkungen, beschleunigte Urbanisierung und aber auch politischer Interferenzen sind die Veränderungsparameter eines dynamischen Geschäftsumfelds immer schnellere Transformationen ausgesetzt. Alle diese Richtungen zeigen das unsere gesellschaftliche Entwicklung inzwischen stark durch die Technik getrieben ist. Ob dies auch heißt, dass wir den Punkt der Singularität (Kurzweil) absehbar erreichen ist dennoch noch offen. ..."

1 Standortübergreifende Zusammenarbeit in der Entwicklungspraxis Innovationen stellen einen entscheidenden Faktor für erfolgreiche Unternehmen dar (Schumpeter 1934). Dabei zeigen Studien, dass erfolgreiche Unternehmen in Produktgenerationen entwickeln (Albers et al. 2014). Unter Produktgenerationsentwicklung wird die Entwicklung von Produkten verstanden, die auf Referenzprodukten (z. B. Vorgänger- oder Wettbewerbsprodukten) basieren und gezielt um neue Funktionalitäten erweitert werden bzw. deren bestehende Funktionalitäten verbessert werden (Albers et al. 2015a). In der Praxis zeigt sich, dass ein immer größer werdender Anteil der entsprechenden Entwicklungsaktivitäten von verteilten Teams durchgeführt wird, deren Teammitglieder sich an unterschiedlichen Standorten innerhalb eines Landes oder über Landesgrenzen hinweg befinden (Zanker & Horvat 2015). Hierdurch entstehen neuartige Herausforderungen, die sich im Schwerpunkt auf Planung, Steuerung, Zusammenarbeit und Controlling dieser Teams beziehen. Diese Herausforderungen lassen sich allerdings nicht losgelöst voneinander betrachten, sondern erfordern eine integrative Sicht auf die zum Einsatz kommenden Entwicklungsprozesse, Entwicklungsmethode und Softwaretools. Beim Zusammenspiel dieser Elemente ist zudem darauf zu achten, dass diese situationsspezifisch ausgewählt und angewendet werden, wie beispielsweise bei der situationsgerechten Auswahl adäquater Entwicklungsmethoden (Albers et al. 2015b), und dass die Konfiguration aus Prozessen, Methoden und Tools die Fähigkeiten und Bedürfnissen beteiligter Einzelpersonen und Teams berücksichtigen. Außerdem müssen die besonderen Charakteristika der Produktentwicklung, wie zum Beispiel die Gleichwertigkeit von erkennenden und gestaltenden Aktivitäten, bei der Auswahl und Entwicklung von Prozessen, Methoden und Tools beachtet werden (Albers & Lohmeyer 2012).