In 2012 starteten Engineering-Expert*innen in Ostwestfalen-Lippe ein ambitioniertes Vorhaben: Systems Engineering sollte in einem großformatigen Querschnittsprojekt bei den mittelständischen Unternehmen der Region nicht nur bekannt gemacht, sondern auf ihre Bedarfe zugeschnitten und in die Praxis gebracht werden. „Intelligente Technische Systeme benötigen Systems Engineering“, war die These.
Inzwischen sind Methoden und Werkzeuge in Wissenschaft und Praxis weiterentwickelt und erprobt und in 44 Transferprojekten mit einem Umfang von etwa 4,5 Millionen Euro umgesetzt worden. Die Unternehmen in OWL profitieren von Weiterbildungsangeboten und Formaten zum Erfahrungsaustausch. Ein Fraunhofer-Institut mit dem Schwerpunkt „Advanced Systems Engineering“ wurde gegründet und an der Universität Paderborn ist ein SE-Lehrstuhl aufgebaut worden. Wir ziehen Bilanz aus dem fünfjährigen Querschnittsprojekt Systems Engineering im Spitzencluster it’s OWL.
Foto: Fraunhofer IEM
Herausforderungen in OWL
Die ostwestfälischen Unternehmen waren anfangs skeptisch. Das Bewusstsein, dass die Digitalisierung von Produkten, Produktion und Prozessen auch neue Herausforderungen an ihre Entwicklung stellt, war da. Was fehlte, war eine übergreifende Entwurfssystematik und eine ganzheitliche Methodik, die den Bedingungen der mittelständischen Unternehmenslandschaft gerecht wurden. „it’s OWL war der einzige BMBF-Spitzencluster, der in der „Old Economy“ unterwegs war. Wir Forscher kamen mit vielen frischen Ideen von der Universität und stießen auf Familienbetriebe mit Tradition und Verantwortung, mit gewachsenen und bewährten Strukturen“, erinnert sich Prof. Dr.-Ing. Roman Dumitrescu, Geschäftsführer des Spitzenclusters it’s OWL und heute Direktor am Fraunhofer IEM und Professor für Advanced Systems Engineering an der Universität Paderborn.
it’s OWL war der einzige BMBF-Spitzencluster, der in der „Old Economy“ unterwegs war. Wir kamen mit vielen frischen Ideen von der Universität und stießen auf Familienbetriebe mit Tradition und Verantwortung, mit gewachsenen und bewährten Strukturen
Prof. Roman Dumitrescu (it’s OWL, Fraunhofer IEM, Universität Paderborn)
„Old Economy“ bedeutet in OWL eine zum Großteil mittelständische Unternehmenslandschaft aus Maschinen- und Anlagenbau, Automobilindustrie und Elektroindustrie, davon viele sogenannte Hidden Champions, die von OWL aus seit Jahrzehnten auf dem Weltmarkt erfolgreich sind. Viele Unternehmen verbanden mit Systems Engineering zunächst einmal Risiken. Zum einen sahen sie organisatorisch-finanzielle Herausforderungen, zum anderen die Unsicherheit, ob neue Prozesse und Methoden auf die Akzeptanz der Mitarbeitenden stoßen würden. „Uns ist klar, dass es ohne Systems Engineering künftig nicht gehen wird. Als Mittelständler stehen wir aber vor der Herausforderung, den Ansatz auch mit wenig organisatorischem und finanziellen Aufwand umzusetzen“, stellt Michael Amon, Technischer Leiter des Industrieautomatisierers RK Rose+Krieger fest.
Foto: Fraunhofer IEM
Oberstes Ziel des auf fünf Jahre angelegten Querschnittsprojekts Systems Engineering im Spitzencluster it’s OWL war es also, den bis dato wenig greifbaren Entwicklungsansatz auf die individuellen Bedarfe der Unternehmen anzupassen und Methoden und Werkzeuge zu entwickelt, die eine einfache Anwendung ermöglichen. „Rückblickend gesagt: Uns Forscherinnen und Forschern hätte gar nichts Besseres passieren können, als auf die ostwestfälische Unternehmensrealität zu treffen. Unsere Ideen, Methoden und Werkzeuge mussten hier den Praxistest bestehen. Das Ergebnis ist anwendbares, ehrliches Systems Engineering“, so Prof. Dumitrescu.
Kommunikation ist alles: Das Systemmodell
Grundlage eines Entwicklungsprozesses im Sinne des Systems Engineering ist es, das Systemdenken aller beteiligten Ingenieur*innen, insbesondere aus dem Maschinenbau, der Elektrotechnik, Softwaretechnik und Regelungstechnik zu schulen. Die Methode des Model-Based Systems Engineering (MBSE) ermöglicht die Entwicklung eines fachübergreifenden Systemmodells als Basis für eine gemeinsame Kommunikation im Projekt. Die am Lehrstuhl für Strategische Produktplanung und Systems Engineering von Prof. Dr.-Ing. Jürgen Gausemeier entwickelte MBSE-Methode CONSENS beruht auf grafischen Abbildungen und ermöglicht auch mittelständischen Unternehmen einen besonders einfachen Einstieg in das Thema. Im Rahmen von it’s OWL erarbeitete ein Team aus Fraunhofer IEM, Heinz Nixdorf Institut (Universität Paderborn), CITEC (Universität Bielefeld), dem Softwarehersteller myview und den Unternehmensberatungen UNITY und Smart Mechatronics praxisnahe Lösungen zum Einsatz von Methoden, Sprachen und Werkzeugen.
Die Anwendung von MBSE in der Unternehmenspraxis zeigte, dass die Potenziale und die Spannweite von MBSE enorm vielfältig sind. Sie reichen von vermeintlich simplen kartenbasierten CONSENS-Workshops auf Brownpaper bis zur kompletten digitalen Simulation einer Produktionskette. Zusätzlich zur technischen Perspektive auf Produkt und Prozess rückte beim Thema MBSE immer mehr auch der Mensch, die soziotechnischen Perspektive, ins Blickfeld. „Insgesamt haben wir die Anwendung von MBSE in Entwicklungsprozessen unserer Clusterunternehmen in den letzten fünf Jahren enorm gesteigert“, sagt Prof. Roman Dumitrescu.
Rückblickend gesagt: Uns Forscherinnen und Forschern hätte gar nichts Besseres passieren können, als auf die ostwestfälische Unternehmensrealität zu treffen. Unsere Ideen, Methoden und Werkzeuge mussten hier den Praxistest bestehen. Das Ergebnis ist anwendbares, ehrliches Systems Engineering
Prof. Roman Dumitrescu (it’s OWL, Fraunhofer IEM, Universität Paderborn)
Transferkonzept wird Erfolgsmodell
Das mit dem INDUSTRIEPREIS 2016 des Huber Verlag für Neue Medien ausgezeichnete Transferkonzept ermöglicht insbesondere mittelständischen Unternehmen einen einfachen Zugang zu praxiserprobten Technologien. Kernidee ist das Transferprojekt: Ein Unternehmen arbeitet über einen Zeitraum von etwa vier bis neun Monaten mit einer Forschungseinrichtung an einem Entwicklungsprojekt. Allein 44 Transferprojekte des Spitzenclusters widmeten sich fokussiert dem Thema Systems Engineering. Hierbei legten die Unternehmen unterschiedliche Schwerpunkte, von der Identifikation von Innovationspotenzialen beim Armaturenhersteller ARI, über die Sensorik-Nachrüstung bestehender Produktionsmaschinen in einer Retrofitmaßnahme beim Wickelrohrfertiger Westaflex hin zu der Entwicklung neuer Service- und Geschäftsmodelle beim Haushaltsgerätehersteller Miele. Die Forschungsergebnisse stehen anderen Unternehmen zur Verfügung und wurden in drei übergreifenden Transfertagen dem gesamten it’s OWL-Netzwerk vorgestellt. Über regionale Engineering- und Consulting-Unternehmen wurden die Ergebnisse in die Fläche getragen.
Am Fraunhofer IEM in Paderborn wird Systems Engineering seit 2015 auch in einem eigenen Labor verortet. Heute können Industrie und Forschung im Systems Engineering Live Lab (SE LIVE LAB) aktuelle Methoden und Werkzeuge testen, vergleichen und anwenden. Das SE Live Lab erlaubt Unternehmen mit wenig Aufwand einen tiefen Einblick in neue SE-Methoden, Tools und Arbeitsweisen. In Workshops und Projekten können Unternehmen gemeinsam an Fragestellungen arbeiten und Erfahrungen austauschen. Die Unternehmen ELHA Maschinenbau Liemke), Remmert und HARTING Applied Technologies haben beispielsweise in einem mehrmonatigen gemeinsamen Projekt verschiedene SE-Tools getestet und verglichen.
Aufbau von Forschungskompetenzen
Der Bedarf und der enorme Nutzen eines anwendungsorientierten Forschungspartners für die Mechatronikentwicklung zeigte sich im erfolgreichen Aufbau eines Fraunhofer-Instituts, der seit 2011 nicht zuletzt von der regionalen Industrie vorangetrieben wurde. Anfang 2017 wurde in Paderborn das Fraunhofer-Institut für Entwurfstechnik Mechatronik IEM mit der strategischen Ausrichtung Advanced Systems Engineering eröffnet. Auch in die Lehre findet das Thema Einzug: Seit 2017 baut Prof. Dr.-Ing. Roman Dumitrescu den Lehrstuhl zum Themenfeld Advanced Systems Engineering an der Universität Paderborn auf und führt damit die Arbeit von Prof. Jürgen Gausemeier fort.
Insgesamt 41 wissenschaftliche Veröffentlichungen an der Universität Paderborn, der Universität Bielefeld, dem Fraunhofer IEM und dem Fraunhofer-Anwendungszentrum IOSB-INA belegen eine umfangreiche Forschungstätigkeit. Acht Dissertationen zu MBSE-Konzepten, zu Entwicklungsleitfäden und Werkzeugkoffern, zur Modellierung plausibler Systemstrukturen, zur Konzipierung von Produkt-Service-Systemen oder zur Verknüpfung von Modellierungssprachen sind abgeschlossen.
Erfolgreiche Tool-Entwicklung mit Unternehmensgründung
Die modellbasierte Planung und Spezifikation von Systemen hat, insbesondere mit der Methode CONSENS, in die Entwicklungsprojekte der Clusterunternehmen Eingang gefunden. Verschiedene Transferprojekte, aber auch wissenschaftliche Arbeiten beschäftigten sich gezielt mit den Möglichkeiten der softwaregestützten modellbasierten Entwicklung. Sie stellten den Nutzen verschiedener Werkzeuge für einen durchgängigen Entwicklungsprozess, aber auch den Bedarf nach skalierbaren, bedarfsorientierten Lösungen heraus. So entstanden CONSENS-Profile für etablierte Software-Werkzeuge wie Enterprise Architect und das japanische Projektmanagement-Tools iQuavis, die die simplen grafischen Modellierungsmethoden auf pragmatische Art digitalisieren. Der Werkzeugmaschinen-Spezialist ELHA Maschinenbau Liemke hat das CONSENS-Profil für iQuavis beispielsweise mit großem Nutzen für die Kommunikation im Entwicklerteam, mit Kunden sowie als Schnittstelle zu weiteren Methoden eingesetzt. iQUAVIS wird seit 2018 vom neugegründeten Unternehmen Two Pillars weiterentwickeln und vertrieben.
Mitarbeiter*nnen mitnehmen und Erfahrungen in die Breite tragen
Dass Systems Engineering in der Region OWL überzeugt, ist nicht zuletzt auch Ergebnis umfangreicher begleitender Aktivitäten. Ein Baustein war hier der Bereich Weiterbildung. Im Rahmen des it’s OWL-Personalentwicklungsprogramms für berufserfahrene Fachkräfte des Spitzenclusters lernten Entwickler*innen mit langjähriger Berufserfahrung den Ansatz Systems Engineering kennen. Losgelöst vom eigentlichen Arbeitsalltag und gemeinsam mit Vertretern anderer Unternehmen der Region erhielten sie Einblicke in Methoden und Werkzeuge des Systems Engineerings und übertrugen sie direkt auf ein Projekt im eigenen Unternehmen. Unterstützt wurden sie dabei von der Wissenschaftler*innen des Fraunhofer IEM. Insgesamt nahmen über 40 Entwickler*innen an drei mehrmonatigen Schulungen teil.
Die Fachgruppe Systems Engineering bot ein weiteres regelmäßiges Austauschformat. In halbjährlichen Treffen zu wechselnden Themenschwerpunkten lernten die Teilnehmer verschiedene Methoden und Anwendungsbeispiele kennen und tauschten eigene Systems Engineering-Erfahrungen aus.
Die ostwestfälischen Systems Engineering-Aktivitäten wurden auch auf internationaler Ebene sichtbar gemacht. Regelmäßige Veranstaltungen für Studierende und Promovierende ermöglichten einen wissenschaftlichen Austausch. So realisierten die it’s OWL Summer School und die International Spring School on Systems Engineering etwa einen Austausch mit der Universität Twente, der Dänischen Technischen Hochschule oder dem Stevens Institute. Insbesondere Südostasien wird von zahlreichen hiesigen Unternehmen als wichtige Region für zukünftige strategische Partnerschaften angesehen. Das Fraunhofer IEM pflegt bereits seit dem Jahr 2012 den wissenschaftlichen Austausch mit der Technischen Universität Mara (Universiti Teknologi Mara UiTM) in Malaysia. Dazu gehört eine gemeinsame Promotion, ein jährlicher German-Malaysian Workshop, ein Studierendenaustausch sowie das Projekt RAISE-MED zum Aufbau eines malaysischen Innovationsnetzwerkes im Bereich Systems Engineering und Medizintechnik nach dem Vorbild von it’s OWL.
Wie es bei it’s OWL im Thema Systems Engineering weitergeht, erfahren Sie hier.
