Digital Twin for Variation Management: A General Framework and Identification of Industrial Challenges Related to the Implementation

Digital twins have gained a lot of interest in recent years. This paper presents a survey among researchers and engineers with expertise in variation management confirming the interest of digital twins in this area. The survey shows, however, a gap between future research interest in academia and industry, identifying a larger need in industry. This indicates that there are some barriers in the industry to overcome before the benefits of a digital twin for variation management and geometry assurance can be fully capitalized on in an industrial context. To identify those barriers and challenges, an extensive interview study with engineers from eight different companies in the manufacturing sectors was accomplished. The analysis identifies industrial challenges in the areas of system-level, simulation working process, management issues, and education. One of the main challenges is to keep the 3D models fully updated, including keeping track of changes during the product development process and also feedback changes during full production to the development engineers. This is a part of what is called the digital thread, which is also addressed in this paper

Challenges and Potentials of Digital Twins and Industry 4.0 in Product Design and Production for High Performance Products

Digital twins offer great opportunities in various domains of the product engineering process. However, current approaches to the use of digital twins only focus on different separated disciplines. In contrast to that, it is expected that the holistic use of digital twin models in product development and production will dominate future product generations, because they allow to create high-performance products competitively. This paper explores important challenges and future potentials of digital twins and Industry 4.0 for the seamless integration of product specification and production. In this regard, approaches of linking digital twins to other domains open up new possibilities in tolerance allocation and production integration. Thereby, the most efficient product specifications in technical and economic terms are achieved for the manufacturer. In addition, the connectivity of Industry 4.0 broadens the scope and enables the evaluation of alternative approaches in production planning and control. Approaches at the organizational level, product functions with specifications beyond the technological limits and production control strategies (e.g. order dispatching) ensure high performance operations. Simulations with a digital production twin with integrated digital product twin allow early estimations even before the actual ramp-up of the product. The future challenge addressed in this paper is to define a consistent framework for the holistic use of digital twins in the entire product development process, which requires the integration of product designers and production planner concepts

Konzept zur Verbesserung des realitätsgetreuen, visuellen Erlebens in virtuellen Umgebungen durch Eye-Tracking

Ein positives Nutzungserlebnis (engl. User Experience) ist einer der Schlüsselaspekte erfolgreicher Produkte und damit auch eine der Grundlagen für den wirtschaftlichen Erfolg eines Unternehmens. Ergonomische Bedienbarkeit und ansprechende Gestaltung des Produkts haben hierauf einen starken Einfluss (Schröppel & Wartzack, 2018). Entwickler und Designer versuchen deshalb, dieses Erlebnis bereits in einer möglichst frühen Phase des Produktentwicklungsprozesses zu erfassen und zu bewerten. Ein in der Automobilbranche erfolgreich eingesetztes Werkzeug zur Bewertung des Nutzungserlebnisses ist der Prototypenbau. Der Einsatz von solchen prototypischen Realaufbauten ist allerdings mit einem hohen finanziellen und vor allem mit einem hohen zeitlichen Aufwand verbunden. Deshalb werden diese meistens erst relativ spät im Produktentwicklungsprozess verwendet. Im Sinne des „Frontloadings“ wäre es vielmehr wünschenswert und sinnvoll, früh zur Verfügung stehende, digitale Modelle für die Bewertung des Nutzererlebnisses zu verwenden. Damit könnten bereits in einer frühen Phase des Produktentwicklungsprozesses Erkenntnisse über das Nutzungserlebnis unterschiedlicher Konzepte in die Entwicklung des Produkts einfließen. [... aus Punkt 1

Ausarbeitungsleitfaden für Nutzerstudien zur Evaluation von XR-Interfaces in der Produktentwicklung

Technologien der erweiterten Realität (extended reality, XR) finden im gesamten Produktentwicklungsprozess Anwendung. Insbesondere Systeme zur aktiven Erzeugung und Veränderung digitaler Produktdaten bieten noch viel Potential. Die Erforschung und Entwicklung dieser immersiven Interfaces beruht maßgeblich auf der Evaluation durch Nutzerstudien, denn nur so kann die Einsatztauglichkeit der Mensch-Maschine-Schnittstellen seriös beurteilt und verglichen werden. Bei der Konzeptionierung und Durchführung dieser Nutzerstudien gibt es viel zu beachten. In dieser Arbeit wird ein Leitfaden für das Design von Evaluationen von XR Interfaces für die Produktentwicklung präsentiert. Zu Beginn müssen die Fragestellungen festgelegt werden, welche die Studie beantworten soll. Ausgehend von diesen müssen die zu testenden Versuchsbedingungen, die gestellten Aufgaben, die aufgenommen Metriken, die gewählten Probanden und der geplante Ablauf festgelegt werden. Zusätzlich zu der allgemeinen Darlegung wird das Vorgehen anhand eines Fallbeispiels angewandt. Die Gestaltung einer Nutzerstudie zur Evaluation der Usability und Eignung eines neuartigen Virtual Reality Interfaces zur natürlichen Gestaltung von Vorentwürfen wird vorgestellt

Einsatz von Graphdatenbanken für das Produktdatenmanagement im Kontext von Industrie 4.0

Im Zuge der digitalen Transformation im Kontext von Industrie 4.0 tun sich eine Vielzahl neuer Datenquellen auf, die im Produktdatenmanagement berücksichtigt werden müssen. Ein Beispiel neuer Datenquellen sind Daten der Industrie 4.0, die zum Beispiel über Sensoren in der Fertigung erhoben werden. Kennzeichen dieser Datenquellen sind die zunehmende Heterogenität der Daten, die nicht mehr in einer Tabelle erfasst werden können. So könnten dies unter anderem Bilder einer optischen Bauteilprüfung sein oder Code zur Bauteilprüfung. Dieser Umstand führt zum Aufbau vieler einzelner neuer Silos, in denen die Daten separat und getrennt vom PDM-System ver-rbeitet werden müssen. Zudem werden dort abgeschottet von den restlichen Silos Daten gespeichert. Daneben führt eine Vielzahl neuer Autorensysteme (Prüfsoftware, Kundenmanagement, Anforderungsmanagement) zu einer gesteigerten Datenmenge, die nicht mehr in klassischen tabellenbasierten und rein-relationalen Datenbanksystemen sinnvoll erfasst werden können. Um an Informationen zu gelangen, sind im Fall rein-relationaler Datenbanksysteme oft komplizierte Abfragen nötig. Diese greifen dann auf mehrere unterschiedliche Tabellen innerhalb der Datenbank zu und stellen daraus wiederum relevante Informationen bereit. Je mehr größer jedoch diese Datenbanken werden und je mehr Informationen miteinander relational verbunden werden müssen, desto mehr Expertenwissen über das jeweilige Datenbanksystem wird benötigt. Somit büßen rein-relationale (SQL-basierte) Systeme auch einen Großteil der Vorteile ihres logischen strukturellen Aufbaus ein. Um den oben genannten Problemen zu begegnen, können neue Ansätze aus dem Bereich der Linked Data herangezogen werden. Bei Linked Data werden nicht nur die reinen Daten verwendet, sondern auch beschreibende und verknüpfende Informationen um die Daten zu interpretieren verwendet und weitergegeben. Durch diesen Mehrwert an Information wird es in einem ersten Schritt möglich, heterogene Produkt- und Prozessdaten, also Daten aus verschiedensten Quellen, wie zum Beispiel Konstruktion, Simulation und Qualitätssicherung, miteinander zu verknüpfen. Durch diese Verknüpfung kann eine höherwertige Darstellungsform geschaffen werden, die neben den reinen Daten auch die sinnvolle Verknüpfung enthält und so eine semantisch höherwertige Repräsentation darstellt. Die so entstehende, vernetzte Datenbank kann z.B. über eine graphenorientierte Datenbank oder Graphdatenbank implementiert werden. Im vorliegenden Beitrag wird untersucht, inwieweit die Modellierung mit gegenwärtig existierenden Lösungen für Graphdatenbanken möglich ist. Ausgehend von einem Beispiel mit einem vereinfachten Produkt- und Prozessdatenmodell der Blechmassivumformung, wird eine allgemeine Methode vorgestellt, durch die ein SQL-basiertes Datenbanksystem in eine Graphdatenbank überführt werden kann. Anhand dieser Methode wird dargestellt, wie bestehende Lösungen teilweise auch parallel zu neuartigen Linked Data Datenbanken existieren können, um diese Schritt für Schritt in eine Graphdatenbank zu überführen. Die Ergebnisse des Beitrags sind auf der einen Seite das allgemeine Vorgehensmodell zur Einführung von Graphdatenbanken und auf der anderen Seite Aussagen über die Nutzbarkeit der vorgestellten Lösung für das Produkt- & Prozessdatenmanagement. [... aus der Einleitung

Integrated Tolerance and Fixture Layout Design for Compliant Sheet Metal Assemblies

Part tolerances and fixture layouts are two pivotal factors in the geometrical quality of\ua0a compliant assembly. The independent design and optimization of these factors for compliant\ua0assemblies have been thoroughly studied. However, this paper presents the dependency of these\ua0factors and, consequently, the demand for an integrated design of them. A method is developed\ua0in order to address this issue by utilizing compliant variation simulation tools and evolutionary\ua0optimization algorithms. Thereby, integrated and non-integrated optimization of the tolerances and\ua0fixture layouts are conducted for an industrial sample case. The objective of this optimization is\ua0defined as minimizing the production cost while fulfilling the geometrical requirements. The results\ua0evidence the superiority of the integrated approach to the non-integrated in terms of the production\ua0cost and geometrical quality of the assemblies

Robustness Analysis of Pin Joining

The trend towards lightweight design, driven by increasingly stringent emission targets, poses challenges to conventional joining processes due to the different mechanical properties of the joining partners used to manufacture multi-material systems. For this reason, new versatile joining processes are in demand for joining dissimilar materials. In this regard, pin joining with cold extruded pin structures is a relatively new, two-stage joining process for joining materials such as high-strength steel and aluminium as well as steel and fibre-reinforced plastic to multi-material systems, without the need for auxiliary elements. Due to the novelty of the process, there are currently only a few studies on the robustness of this joining process available. Thus, limited statements on the stability of the joining process considering uncertain process conditions, such as varying material properties or friction values, can be provided. Motivated by this, the presented work investigates the influence of different uncertain process parameters on the pin extrusion as well as on the joining process itself, carrying out a systematic robustness analysis. Therefore, the methodical approach covers the complete process chain of pin joining, including the load-bearing capacity of the joint by means of numerical simulation and data-driven methods. Thereby, a deeper understanding of the pin joining process is generated and the versatility of the novel joining process is increased. Additionally, the provision of manufacturing recommendations for the forming of pin joints leads to a significant decrease in the failure probability caused by ploughing or buckling effects

Geometrical Variations Management 4.0: towards next Generation Geometry Assurance

Product realization processes are undergoing radical change considering the increasing digitalization of manufacturing fostered by cyber-physical production systems, the internet of things, big data, cloud computing, and the advancing use of digital twins. These trends are subsumed under the term “industry 4.0” describing the vision of a digitally connected manufacturing environment.The contribution gives an overview of future challenges and potentials for next generation geometry assurance and geometrical variations management in the context of industry 4.0. Particularly, the focus is set on potentials and risks of increasingly available manufacturing data and the use of digital twins in geometrical variations management

Shifting value stream patterns along the product lifecycle with digital twins

The concept of digital twins promises high potentials for product design, manufacturing, user experience and recycling. Thus, digital twins have received increasing interest in academia and industry. However, the actual benefits of digital twins remain in many cases unclear. This article aims to summarize selected recent developments in this field and demonstrate use cases from different phases of the product lifecycle. For that purpose, examples from the design, manufacturing, use and recycling phase are presented. In a subsequent discussion, ideas for new value stream patterns using digital twins are envisioned and research questions are derive