Mit Augmented Reality und IoT zum digitalen Geschäftsmodell

Seit Einzug der industriellen Revolution wurde die Herstellung von Produkten immer weiter systematisiert sowie die Produktivität und Profitabilität verbessert. Mit zunehmender Digitalisierung wird die Prozessintegration weiter vorangetrieben und anstelle lokaler Best-in-Class-Optimierungen werden vermehrt durchgängige Applikationen und Informationssysteme genutzt. Aufgabe von Innovationsprozessen ist es, erfolgsversprechende Produktideen zu generieren und dafür eine Produktdefinition zu entwickeln, die effizient produziert werden kann. Klassisch spricht man dabei von Fertigungsunterlagen, die lange vorwiegend aus mechanischen Informationen bestanden. Mit dem Einzug der Mechatronik hat sich das Verhältnis von Elektronik und später auch der Software gegenüber der Mechanik vergrössert. Mittlerweile geht man davon aus, dass die mechanischen Anteile an Produktdefinitionen häufig schon unter 50 Prozent liegen und die der Software über 50 Prozent.
Damit verbunden ist eine erheblich grössere Produktkomplexität und die zunehmende Vernetzung kann mit altgedienten, Dokument-basierten Prozessen nicht mehr ausreichend unterstützt werden. In einer mechatronischen Produktentwicklung müssen Elektronik- und Software-Aspekte abgebildet werden, was Elektronikbibliotheken, Schemata, Signalflüsse, Algorithmen, usw. bedeutet. Übergeordnete Zielsetzung muss sein, all diese Informationen in einem integrativen Modell abzubilden. In leistungsfähigen CAx/PLM-Applikationen werden digitale Modelle einmalig erstellt und dann im Downstream-Prozess mehrfach genutzt. Hieraus folgen kürzere Durchlaufzeiten, geringere Aufwände und eine bessere Datenkonsistenz. Mit wachsendem ­Informationsgehalt der Modelle und grösseren Datenbeständen wird neben der internen Nutzung auch der Schutz des geistigen Eigentums (IP) gegenüber unbefugten Zugriffen von aussen zum Thema.
Nachdem das digitale Modell mit vielfältigen Aspekten angereichert wurde, stellt sich die Frage, ob dies zukünftig auch nur zur Produktion genutzt werden soll oder ob sich nicht eine weitergehende Datennutzung aufdrängt? Das Konzept des digitalen Zwillings ermöglicht ein digitales Abbild für ein physisches Objekt, welches einerseits dessen Zustand repräsentieren kann, da eintretende Zustandsänderungen über IoT-Mechanismen übermittelt werden. Andererseits kann der digitale Zwilling zeitweise von der Realität entkoppelt werden, um unterschiedliche Szenarien rein digital zu analysieren.
Bei mechatronischen Entwicklungen kommen interdiszi­plinäre Methoden auf Basis digitaler Modelle zum Einsatz. Dies ermöglicht eine Parallelisierung von Mechanik, Elektronik, Software usw. sowie eine frühzeitige Verifikation des mechatronischen Verhaltens. Bisher konnte das Zusammenwirken von Teilsystemen erst an einem Prototyp oder bei der Inbetriebnahme überprüft werden. Durch das Abbilden des mechatronischen Verhaltens im digitalen Zwilling kann dieser schon während der Entwicklung oder zur virtuellen Inbetriebnahme genutzt werden. Der digitale Zwilling emuliert Mechanik, Aktorik und Sensorik realer Systeme und kann diese mittels 3D-Visualisierung realitätsnah darstellen bevor das erste Teil gefertigt ist. Bei der Entwicklung von Software oder einer Automatisation kann damit der Code frühzeitig gegen den digitalen Zwilling getestet und optimiert werden.

Vom digitalen Zwilling zum digitalen Produkt
Über die internen Wertschöpfungsprozesse hinaus kann die Digitalisierung zudem den Kundennutzen erhöhen. Auch für herkömmliche Produkte werden häufig digitale Produktinformationen bereitgestellt (zum Beispiel Online-Reparaturanleitungen als Video oder Ersatzteilkataloge mit 3D-Visualisierungen). Darüber hinaus ermöglicht der fortwährende Technologiefortschritt mit der Miniaturisierung von Sensoren und Aktoren sowie der globalen Verfügbarkeit von Datennetzen neuartige intelligente Produkte mit Konnektivität zum Datenabgleich. Produkte auf Basis solcher cyber-physischer Systeme (CPS) verfügen über digitale Fähigkeiten mit neuen Nutzungsszenarien. Zielsetzung digitaler Produktangebote sind die Stärkung der Kundenbindung und Differenzierung sowie die Erweiterung des Ertragsschemas mit digitalen Komponenten, um über datenbasierte Dienste und digitale Geschäftsmodelle neue Umsätze zu erzielen.
Eine zentrale Kernfrage ist, welcher Anteil der digitalen Produktmodelle als geistiges Eigentum geschützt und nur intern zugänglich bleiben soll. Falls bei den übrigen Anteilen erfolgsversprechende Nutzenpotenziale bestehen, kann damit ein digitales Geschäft aufgebaut werden. Hierbei wird nicht nur das Kundenangebot um digitale Inhalte erweitert, zum Beispiel indem Zustandsdaten in eine Cloud synchronisiert werden zum Monitoring oder für statistische Echtzeitanalysen auf einem beliebigen Endgerät. Darüber hinaus werden Informationen über die Produktnutzung nunmehr über IoT erfasst und können automatisiert in die Produktentwicklung zurückfliessen, wofür bislang Kundenbefragungen nötig waren. Weitergehende digitale Services bieten sich insbesondere bei komplexen Produkten an, wo vorhandene Modelldaten einen grossen Mehrwert bringen, um Kunden bei Problemfällen oder Wartungsarbeiten zu unterstützen. Grosses Poten­zial wird dabei einer neuen Technologie zugesprochen, der Augmented Reality (kurz: AR).

Mit Augmented Reality zum digitalen Geschäftsmodell
Bei Augmented Reality wird die Realität durch virtuelle Informationen ergänzt. Bekannt wurde AR durch Sportübertragungen, in denen digitale Inhalte eingeblendet werden, um Positionen oder Abstände zu visualisieren (zum Beispiel Linien quer zur Bahn bei Schwimmwettkämpfen). Charakteristisch für AR ist die Verankerung der digitalen Inhalte in der Realität, wodurch sich bei wechselnder Blickrichtung auch die digitalen Inhalte perspektivisch anpassen. Eine AR-Anwendung auf einem Tablet oder Smartphone kann über die Kamera ein physisches Produkt filmen und das ­Video analysieren, um das Objekt zu identifizieren. Damit wird eine Verbindung zum digitalen Zwilling hergestellt, der neben digitalen Modellen auch Zustandsinformationen (zum Beispiel Temperatur, Drehzahl, usw.) beinhalten kann, die über Sensoren erfasst werden. Diese digitalen Inhalte kann die AR-Anwendung in die Video-Darstellung einblenden. Neben 3D-Modellen und 2D-­Informationen können Video-­Sequenzen ablaufen, um Funk­tionsweisen oder Montagezyklen zu zeigen. Weiterhin können Visualisierungen auch zwischen AR-Geräten übermittelt werden, damit ein räumlich entfernter Experte im 3D-Kontext Instrukti­onen für schwierige Situationen geben kann.

Fazit
Daten sind das Öl des 21. Jahrhunderts und die Digitalisierung ermöglicht neue Geschäftsmodelle und den Eintritt in neue Marktsegmente. Entscheidend beim Aufbau eines digitalen Portfolios ist der Mehrwert für den Kunden, der mit virtuellen Welten und kundenorientierten Services enorm gesteigert werden kann. Die bislang primär auf Entwicklung und Produktion ausgerichteten digitalen Modelle werden zukünftig vermehrt auch für digitale Produkt- und Service-Angebote eingesetzt, um deren Potenziale für Wettbewerbsvorteile im digitalen Geschäft zu nutzen.

ZUM AUTOR
Dr. Robert Montau, Dozent für den Studiengang MAS Industrie 4.0 an der Fernfachhochschule Schweiz
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