ProDiNA zielt auf eine innovative, digitale und ressourcensparende Lösung zur Prototypenentwicklung und -testung im Kontext der Pumpenprototypisierung am Digitalen Zwilling ab.
ProDina
Produkttestungen verbrauchen nicht nur viele Ressourcen, sondern stellen oft auch einen Kapazitätsengpass dar und limitieren somit Optimierungen der Produkte hinsichtlich Effizienz und Nachhaltigkeit. Im Projekt ProDiNA wird dieser Engpass durch einen digitalen, skalierbaren Ansatz zur Prototypentestung aufgelöst und dadurch zahlreiche Ressourceneinsparungen während der Produktentwicklung erzielt. Konkret erprobt werden soll der Ansatz beispielhaft mit dem Digital Zwilling von Pumpenprototypen.
Ein Digitaler Zwilling ist eine digitale Kopie eines Prototyps, die alle relevanten Daten enthält, welche für die Testung benötigt werden. Dieser digitale Zwilling kann dann genutzt werden, um Simulationen durchzuführen und somit physische Tests zu reduzieren oder sogar zu ersetzen. Der digitale Ansatz eröffnet zudem neue Möglichkeiten für die Prototypentestung, wie zum Beispiel die Möglichkeit, mehrere Variationen eines Prototyps gleichzeitig zu testen und somit die Flexibilität zu erhöhen. Zudem ermöglicht der digitale Nachhaltigkeitspass eine umfassende Sicht auf alle relevanten Daten und Informationen des Produktes, was wiederum die Optimierung und Kreislauffähigkeit des Endproduktes erleichtert und die Basis für eine transparente Kommunikation hinsichtlich der Nachhaltigkeit eines Produktes schafft (Materialeigenschaften, Recyclingfähigkeit, Ressourcenverbrauch).
Leistungen des August-Wilhelm Scheer Instituts
Das August-Wilhelm Scheer Institut widmet sich im Rahmen des Forschungsprojekts sowohl Forschungsarbeiten im Bereich der Entwicklung eines Digitalen Zwillings und des digitalen Nachhaltigkeitspasses für die Pumpenprototypen, als auch der Entwicklung von KI-Algorithmen zur Vorhersage der Lebensdauer der Pumpen sowie der frühzeitigen Erkennung von möglichen Schwachstellen oder Defekten.
Ziel: Konzipierung und Entwicklung eines Digitalen Zwillings für Pumpenprototypen und Entwicklung eines Digitalen Nachhaltigkeitspasses
Lösungsweg:
- Anforderungsanalyse unter Berücksichtigung von Pumpen- und Materialcharakteristika sowie der Voraussetzungen für Simulation und KI basierte Prognosen
- Konzipierung und Entwicklung eines Grundgerüsts für den Digitalen Zwilling, welcher mit Voranschreiten des Projektes und Zufluss der neu gewonnenen Daten stetig wächst
- Erstellung des initialen Digitalen Zwillings und fortlaufende Validierung und Optimierung
- Erstellung eines Digitalen Nachhaltigkeitspasses, auf Basis der im Digitalen Zwilling gesammelten Daten, der die Datengrundlage für einen Digitalen Produktpass der fertigen Pumpe darstellt
Ziel: Entwicklung von KI-Modellen zur Vorhersage zentraler Leistungsindikatoren sowie zur frühzeitigen Erkennung von Defekten in der physischen Testung
Lösungsweg:
- Analyse der vorhandenen Daten aus früheren physischen Prototyptestungen
- Abgleich und Verknüpfung mit den aus der Simulation gewonnenen Parametern
- Entwicklung von KI-Modellen, mittels Methoden aus Machine Learning und Deep Learning, zur Vorhersage der Pumpen-Lebensdauer sowie zur Erkennung möglicher Schwachstellen anhand eines digitalen Prototypen basierend auf Daten aus der physischen Testung und der Simulation
- Erstellung von Modellen zur frühzeitigen Defekterkennung während der physischen Prototypentestung mittels Anomalieerkennung basierend auf verschiedenen Sensordaten
- Testung und Validierung der entwickelten Modelle durch digitale und physische Testung
Ziel: Die Gesamtkoordination des Vorhabens und Sicherstellung des wissenschaftlich-technischen Fortschritts in Zusammenhang mit den finanziellen Aspekten des Projekts. Administrative Projektaufgaben und Partnerkommunikation sowie Zusammenarbeit mit anderen Projekten. Dissemination der Ergebnisse und Öffentlichkeitsarbeit.
Lösungsweg:
- Nutzung von Techniken und Werkzeugen des agilen Projektmanagements
- Infrastruktur zur Zusammenarbeit, Dokumentenmanagement
- wissenschaftliche und nicht-wissenschaftliche Veröffentlichungen der Ergebnisse
- Digitaler Zwilling
Ziel: Konzipierung und Entwicklung eines Digitalen Zwillings für Pumpenprototypen und Entwicklung eines Digitalen Nachhaltigkeitspasses
Lösungsweg:
- Anforderungsanalyse unter Berücksichtigung von Pumpen- und Materialcharakteristika sowie der Voraussetzungen für Simulation und KI basierte Prognosen
- Konzipierung und Entwicklung eines Grundgerüsts für den Digitalen Zwilling, welcher mit Voranschreiten des Projektes und Zufluss der neu gewonnenen Daten stetig wächst
- Erstellung des initialen Digitalen Zwillings und fortlaufende Validierung und Optimierung
- Erstellung eines Digitalen Nachhaltigkeitspasses, auf Basis der im Digitalen Zwilling gesammelten Daten, der die Datengrundlage für einen Digitalen Produktpass der fertigen Pumpe darstellt
- Machine Learning
Ziel: Entwicklung von KI-Modellen zur Vorhersage zentraler Leistungsindikatoren sowie zur frühzeitigen Erkennung von Defekten in der physischen Testung
Lösungsweg:
- Analyse der vorhandenen Daten aus früheren physischen Prototyptestungen
- Abgleich und Verknüpfung mit den aus der Simulation gewonnenen Parametern
- Entwicklung von KI-Modellen, mittels Methoden aus Machine Learning und Deep Learning, zur Vorhersage der Pumpen-Lebensdauer sowie zur Erkennung möglicher Schwachstellen anhand eines digitalen Prototypen basierend auf Daten aus der physischen Testung und der Simulation
- Erstellung von Modellen zur frühzeitigen Defekterkennung während der physischen Prototypentestung mittels Anomalieerkennung basierend auf verschiedenen Sensordaten
- Testung und Validierung der entwickelten Modelle durch digitale und physische Testung
- Projektmanagement
Ziel: Die Gesamtkoordination des Vorhabens und Sicherstellung des wissenschaftlich-technischen Fortschritts in Zusammenhang mit den finanziellen Aspekten des Projekts. Administrative Projektaufgaben und Partnerkommunikation sowie Zusammenarbeit mit anderen Projekten. Dissemination der Ergebnisse und Öffentlichkeitsarbeit.
Lösungsweg:
- Nutzung von Techniken und Werkzeugen des agilen Projektmanagements
- Infrastruktur zur Zusammenarbeit, Dokumentenmanagement
- wissenschaftliche und nicht-wissenschaftliche Veröffentlichungen der Ergebnisse
Ausgangssituation
Mit der traditionellen, physischen Prototypentestung geht aktuell ein großer Einsatz von Ressourcen einher. Bereits während der Testphase auftretende Defekte und damit Ereignisse, die eine Fortführung der Testung überflüssig machen, werden derzeit in der Regel nicht unmittelbar nach ihrem Eintreten erkannt. Zudem stellt die eindeutige Identifikation der Ursache des Defektes, die notwendig ist, um den Prototypen weiterzuentwickeln, eine Herausforderung dar. In Zukunft wird es zudem notwendig sein, genaue Angaben und Nachweise über die Nachhaltigkeit von Produkten und ihren Bestandteilen treffen zu können. Die dafür erforderliche Datenbasis ist bislang noch nicht geschaffen.
- traditionelle Prototypentestung ist ressourcenintensiv
- Defekte und deren Ursachen sind bislang schwierig zu erkennen
Lösungsansatz
Was?
Im Projekt ProDiNA können mittels der angestrebten Digitalisierung der Pumpenprototypentestung Emissionen und Materialien eingespart werden. Außerdem werden der Testzyklus der physischen Prototypen verkürzt und optimiert. Dadurch wird eine breitere Testung und somit auch eine weitreichende Optimierung des Endproduktes gefördert. Zu diesem Zweck wird ein präziser Digitaler Zwilling der physischen Prototypen erstellt, welcher alle nötigen Daten für die Testung mittels Simulation und Machine Learning bereitstellt. Hierfür wird der Digitale Zwilling mit Daten, wie Geometriedaten, Materialcharakteristika und Sensormessungen angereichert.
Aufbauend auf dem Digitalen Zwilling und den einzelnen Testkomponenten wird eine Softwareplattform entwickelt, die den gesamten digitalen Prototypenbau und -test begleitet. Die dadurch gewonnene Flexibilität und erhöhte Effizienz der Prototypentestung ermöglichen weiterreichende Tests zur Optimierung des Endproduktes. Hierbei soll insbesondere die Nachhaltigkeit des Produktes im Fokus stehen. Konkret sollen Energieverbrauch, Langlebigkeit und Ausfallquote sowie die Materialzusammensetzung betrachtet und optimiert werden. Wird bei dieser digitalen Testung beispielsweise ein Defekt ermittelt, kann durch diese Erkenntnis die Dauer der physischen Testung verkürzt und damit Ressourcen eingespart werden. Zudem ermöglicht der Digitale Zwilling einen rechtzeitigen Abbruch des Tests. Darüber hinaus kann auch eine präzise Identifizierung der Art und der Ursache des Defektes erfolgen, was eine entscheidende Information zur stetigen Optimierung der Prototypen darstellt.
Basierend auf den gewonnenen Daten wird anschließend ein Digitaler Nachhaltigkeitspass über die jeweiligen Materialeigenschaften im Sinne der Recyclingfähigkeit sowie zur second-life Materialnutzung erstellt. Dieser digitale Nachhaltigkeitspass stellt einen Teilaspekt des künftig verpflichtenden Digitalen Produktpass dar, welcher als Kernelement der Kreislaufwirtschaft gilt. Das Vorhaben ProDiNA realisiert damit solide getestete kreislaufoptimierte Produkte inklusive dem transparenten Nachweis der Kreislauffähigkeit der Produkte durch den Digitalen Nachhaltigkeitspass.
FÖRDERHINWEIS
Das Projekt ProDiNA ist gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz.
Förderkennzeichen: 01MN23016A
Laufzeit: 01.05.2023-30.04.2026