Mit virtueller Entwicklung zu mehr Nachhaltigkeit und Effizienz

Auch in der sich stetig und immer schneller wandelnden Welt der Technik, Entwicklung und Produktion gibt es Kernanliegen, die sich im Laufe der Jahrhunderte nicht verändert haben. Produkte und Lösungen schneller und kostengünstiger zu entwickeln, gehörte immer dazu. Wurde früher meist erfahrungsbasiert, ressourcenintensiv und über lange Zeiträume an Verfahren und Produkten getüftelt und getestet, geht es heute sehr viel schneller. Digitalisierung und Vernetzung machen es möglich: Was früher sechs bis sieben Jahre Entwicklungszeit brauchte, ist heute meist in weniger als drei Jahren fertig entwickelt – und das Tempo nimmt noch zu. Ziel unserer Forschung ist es, die Entwicklungszeit eines Produkts oder einer technischen Lösung um weitere 30–50 Prozent zu verkürzen.

Virtualized Engineering, das heißt die Entwicklung von technischen Systemen, Bauteilen und Komponenten anhand dreidimensionaler Modelle im digitalen, virtuellen Raum, trägt dazu bei, die Gesamtentwicklungszeit von Produkten und Services deutlich zu verkürzen. Heute lassen sich nahezu alle Schritte der Produktentwicklung zumindest bis zu einem gewissen Teil digitalisieren. So ist es möglich, Produkte und Lösungen schon während der Entstehung digital zu testen, anzupassen und zu verbessern. Im Entwicklungsprozess steht dabei das „Virtual Development“, also die Entwicklung im virtuellen Raum, an erster Stelle. Sogenannte digitale Zwillinge bilden dabei ganze Produkte digital ab und ermöglichen die aufeinander abgestimmte Entwicklung und das simultane Testen mehrerer zuvor häufig nur sequenziell umsetzbarer Entwicklungsschritte. Es folgt das „Virtual Testing“, die Testphase und das gezielte Durchspielen des gesamten Systems unter Realbedingungen – ebenfalls digital. Mit erfolgreichem Abschluss erfolgt das „Virtual Release“, die digitale Freigabe oder der Rollout des digitalen Abbildes eines Produktes.

Die Kernfrage bei der Anwendung der Virtualized Engineering-Verfahren auf die Entstehung von Produkten lautet oftmals: Wie verhält sich ein Bauteil unter welcher Voraussetzung? Bis heute ist das physische Testen einer Komponente in der Musterphase der kostspieligste und aufwendigste Teil der Entwicklung. Bei der Simulation haben sich jedoch numerische Modelle bislang oft noch als zu ungenau erwiesen, um Schlüsse zu ziehen. Oder es ergab sich bei der Erstellung eines numerischen Modells das gegenteilige Extrem: eine zu lange Simulationsdauer, aufgrund deren die gewünschte Kostenreduzierung nicht erreicht werden kann.

Wir bei Bosch Research suchen und erarbeiten stetig neue Methoden, Konzepte und Wege, wie sich die Zeit von der Idee bis zum marktreifen Produkt weiter verkürzen lässt und Effizienz und Nachhaltigkeit weiter gesteigert werden können. Bei der Erprobung der neuen Verfahren und Lösungen arbeiten wir eng mit den Bosch-Geschäftsbereichen zusammen. Diese enge Verzahnung bringt stets große Fortschritte für die Entwicklung neuer Technologien. Es ist heute möglich, Werkstoffe eingehender und bis auf ihre atomare Ebene hin zu analysieren und aufzuschlüsseln. Das spart in späteren Arbeitsschritten, beispielsweise bei der Skalierung, reichlich Zeit ein. Der Vorteil bei der digitalen Materialanalyse ist außerdem, dass schon im Vorfeld auf Basis bestehender Daten auf Produkteigenschaften geschlossen werden kann. All diese mittlerweile vielfach angewandten Verfahren fallen unter Virtualized Engineering und damit in ein Feld, in dem Bosch schon lange intensiv forscht und entwickelt.

Bosch Research forscht auf der Makro-, Mikro- und Nano-Skala, auf der die Zusammenhänge mit der heute verfügbaren Technik physikalisch hinreichend dargestellt und trotzdem noch berechnet werden können. Weil gerade in diesem Forschungsfeld in der Vergangenheit oftmals die zu geringe Rechenkapazität der Computer ein Problem war, behilft Bosch Research sich auf andere Weise. Wir kombinieren unsere Forschungsinhalte mit künstlicher Intelligenz (KI), um die Computer-Rechenzeit zu beschleunigen und bestimmte Effekte mithilfe der KI und ihrer datengetriebenen Ansätze zu erschließen. Dabei arbeiten wir jedoch auch an der Verbesserung von Technologien, um die Rechengeschwindigkeiten der heute verfügbaren Computer als solche zu beschleunigen. Zusammengefasst umfasst unser Forschungsfeld Virtualized Engineering von mathematisch-physikalischen Grundverfahren über die Anwendung künstlicher Intelligenz bis hin zum Quantencomputing das komplette Spektrum moderner Digitalisierung und Vernetzung.

Die Vorteile der Virtualisierung liegen darin, dass Modelle und Simulationen durch zunehmende Rechengeschwindigkeiten massiv verbessert werden können. Die Entwicklung im virtuellen Raum spart viel Zeit und Geld und schont gleichzeitig die Umwelt. Der durch virtuelle Simulationen gelieferte Input fließt bei Bosch in alle Entwicklungen ein.

Erneut kommt Bosch Research hier unsere Stellung als Teil eines Weltkonzerns zugute, bei der alle im Unternehmen verfügbaren Daten von physikalischen und softwaregetriebenen Bereichen kombiniert und verwendet werden können. Anwendungsfelder für diesen enormen Input sind alle von Bosch produzierten Hardware-Komponenten: von der Bohrmaschine über E-Achsen bis hin zur Medizintechnik. Wo immer es geht, setzen wir auf kommerzielle Software, um unsere Forschung möglichst effizient anzuwenden. Die Open-Source- und auch die kommerzielle Software-Nutzung erfolgen über Plug-ins oder Add-ons. Ein Plug-in ist eine Erweiterung einer Software, die aber auch ohne das Hauptprogramm funktioniert. Ein Add-on hingegen erweitert ebenfalls eine Software, ist aber ohne diese nicht lauffähig und daher nur in Verbindung mit dem Hauptprogramm von Nutzen. Open-Source-Softwareentwicklung spielt bei der Virtualisierung von Entwicklung sowohl in internen als auch in externen Projekten eine zentrale Rolle. Der Einsatz von Open-Source-Programmen bei Bosch Research ist analog zum Einsatz von kommerziellen Tools. Ein Beispiel hierfür ist OpenFoam, das für Fluid-Berechnungen eingesetzt wird. Aber auch Bosch-interne Open-Source-Programme sind im Einsatz.

Besonders im Bereich des „Virtual Prototyping“ setzen wir bei Bosch Research auf die Kooperation mit international renommierten Universitäten und Instituten in Deutschland sowie im europäischen Ausland. In den Bereichen Atomistik und Molekulardynamik kooperiert Bosch zum Beispiel mit dem amerikanischen Massachusetts Institute of Technology (MIT) und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) sowie im Bereich Mikrostruktursimulation mit dem Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg. Kooperationen dieser Art ermöglichen uns den Zugriff auf Wissen, das außerhalb der Bosch Forschung noch nicht verfügbar ist. Kolleginnen und Kollegen, die von Universitäten oder Forschungseinrichtungen zu Bosch Research kommen, bringen oft die neuesten Ergebnisse aus der Grundlagenforschung sowie interdisziplinäre Ansätze in unsere Forschungsarbeit mit ein. Hierbei werden Ansätze und Methoden der klassischen Ingenieurwissenschaften mit Physik und Mathematik sowie mit KI und Software Engineering kombiniert. Der interdisziplinäre Ansatz in der Forschung spiegelt damit die zahlreichen Überschneidungen und Verzahnungen des Forschungsfelds Virtual Engineering als solches wider.