Die Trends in Forschung & Entwicklung

Neue digitale Technologien verändern den Innovationsprozess und binden den Kunden stärker in die Produktentstehung mit ein.

von Dr. Ralf Magagnoli

Ziel vieler Unternehmen ist es, in puncto Industrie 4.0 die umfassendste Option zu realisieren, nämlich die des Enablers. Der Enabler ist ein Technologieanbieter für das IoT und nutzt Plattformen (Clouds) zur Entwicklung, Herstellung und Lieferung vernetzter Dienste und Produkte. Was bedeutet dies für die Abteilung Forschung & Entwicklung: Zum einen werden die traditionellen Schranken zwischen Forschung & Entwicklung, Produktmanagement und Produktion tendenziell aufgehoben, zum anderen werden die sogenannten Stakeholder, meistens Kunden, an der Entwicklungsarbeit beteiligt. Die Vorteile sind u. a. schnellere Produktreife, besser ausgetestete Produkte, kostengünstigere Produkte und – last, but not least – völlig neue Produkte. Was also sind die Trends in der Forschungs- und Entwicklungsabteilung?

Künstliche Intelligenz (KI) / Machine Learning

Die Begriffe KI und Machine Learning werden oft synonym verwendet, sind aber nicht deckungsgleich, da Machine Learning nur einen Bereich, allerdings den wichtigsten der KI, ausmacht. So sagt der chinesisch-amerikanische Informatiker Andrew Ng: „99 Prozent des ökonomischen Wertes, den KI heute schafft, wird durch die eine Art von KI erzeugt, die von A nach B lernt, durch Input- zu Output-Mappings“, also durch Machine Learning. Worum geht es? Es geht um selbstständig lernende Maschinen und Computer; diese lernen anhand von Beispielen und können diese nach Ende der Lernphase verallgemeinern, indem sie Muster und Gesetzmäßigkeiten in den Lerndaten „erkennen“.

Für die Forschung & Entwicklung bieten KI und vor allem das Machine Learning riesige Potenziale, wenn es darum geht, das Kundenverhalten über prädiktive Analysen gezielter zu prognostizieren und via Algorithmen fundiertere Innovationsentscheidungen zu fällen.

Dies erfolgt mithilfe von Algorithmen, die sich wiederum in überwachtes Lernen (teilüberwachtes, bestärkendes, aktives Lernen) und unüberwachtes Lernen unterteilen lassen. Für die Forschung & Entwicklung bieten KI und vor allem das Machine Learning riesige Potenziale, wenn es darum geht, das Kundenverhalten über prädiktive Analysen gezielter zu prognostizieren und via Algorithmen fundiertere Innovationsentscheidungen zu fällen. Dies betrifft u. a. den Designprozess – Stichwort Generatives Design – reicht aber weit darüber hinaus.

Generatives Design

Hier übernimmt ein Algorithmus die Aufgabe, die früher der Designer erledigte. Dieser erstellt nur den digitalen „Werkzeugkasten“, während der Computer das Ergebnis erzeugt. Die Aufgabe des Designers besteht darin, das Ergebnis zu beurteilen und ggf. den Quellcode, die Parameter und den Algorithmus zu verändern. Dazu gibt es neue Tools – Stichwort bspw. Low Code – die eine Programmierung auch ohne vertiefte Programmierkenntnis erlauben. Der Gestaltungsspielraum erweitert sich durch Generative Design in erheblicher Weise, wozu Parameter wie Zufall, Struktur oder Wiederholung kombiniert mit traditionellen Faktoren wie Schrift, Form, Farbe und Bild beitragen.

Dabei bietet sich auch in diesem Fall die Open Innovation, also die Zusammenarbeit verschiedener Akteure – meist über eine cloudbasierte Plattform –, an, über die sich nicht nur eine Vielzahl von Entwurfsalternativen erzeugen lässt, sondern über die die Entwürfe auch im Hinblick auf die Kundenakzeptanz geprüft werden können. Im Idealfall werden die verschiedenen Stakeholder, allen voran natürlich die Kunden, am Projekt beteiligt und aktiv in den Designprozess eingebunden. Die Echt­zeitinformationen sorgen für schnellere Durchlaufzeiten von Projekten.

Digitaler Zwilling

Das Gabler Wirtschaftslexikon definiert den „digitalen Zwilling“ (Digital Twin) als „virtuelles Modell z. B. eines Prozesses, eines Produkts oder einer Dienstleistung, welches die reale und virtuelle Welt verbindet“. Notwendig sind dabei drei Elemente: das abzubildende Objekt – bspw. ein Fahrrad –, der digitale Zwilling und die Daten, die beide miteinander integrieren. So wird das reale, mit Sensoren ausgestattete Fahrrad, um diesen Fall zu nehmen, mit dem System verbunden, das die Sensordaten empfängt, verarbeitet und auswertet. Anhand des digitalen Zwillings können dann die Leistungsfähigkeit, die Widerstandskraft und die Haltbarkeit des Fahrrads, etwa unter Extrembedingungen, getestet werden.

Über Simulationen werden so verschiedene Alternativen erforscht, um die in der Regel komplexen Produktanforderungen zu erfüllen – zum Beispiel: Ist das Produkt intuitiv nutzbar? Funktioniert die Elektronik einwandfrei? Wie interagieren die verschiedenen Komponenten? Und, im Hinblick auf das Fahrrad, bei welchen Lastfällen sind welche Bereiche des metallischen Fahrradrahmens oder der Federgabel als kritisch zu beurteilen?

Der digitale Zwilling wird gerne in der Automobilindustrie für Crashtests eingesetzt. Aufgrund der Effektivitätssteigerungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette rechnet der Analyst Gartner damit, dass schon 2021 die Hälfte der größeren Industrieunternehmen den digitalen Zwilling einsetzen wird. Dabei geht es auch hier in Richtung künstlicher Intelligenz, sodass man von der gegenseitigen Wahrnehmung und Interaktion zur Kommunikation und eigenständigen Optimierung der Systeme gelangt.

Additive Fertigung / 3-D-Druck

Auch diese beiden Begriffe werden meist synonym verwendet. Worum geht es? Es handelt sich um ein professionelles, sich von konventionellen Methoden unterscheidendes Produktionsverfahren, bei dem Schicht um Schicht Bauteile aufgebaut werden, um Prototypen zu erstellen. Durch ein sogenanntes Rapid Prototyping in der Forschung & Entwicklung können die Produktentwicklung (und damit die Markteinführung) entscheidend beschleunigt werden. (Im Sinne verschwindender Grenzen zwischen Forschung & Entwicklung einerseits und Produktion andererseits hält das Verfahren zunehmend Einzug in die Serienfertigung.)

Der entscheidende Vorteil gegenüber traditionellen Fertigungsmethoden aber liegt im „Design-driven Manufacturing Process“, bei dem nicht die Fertigung die Konstruktion determiniert, sondern bei dem die Konstruktion die Fertigung bestimmt. Die additive Fertigung verspricht zudem Designfreiheit, Funktionsoptimierung und -integration sowie die Individualisierung von Produkten in der Serienfertigung.

VR- & AR-Konzepte werden Forschung und Entwicklung massiv beeinflussen.

Augmented Reality (AR)

Nicht selten wird beim Prototyping auch die „erweiterte Realität“ (Augmented Reality) eingesetzt, die computerbasierte Erweiterung der Realitätswahrnehmung – oft mithilfe von AR-Brillen. So lassen sich in mehrdimensionalen Räumen Objekte, die nur zweidimensional als Baupläne existieren, völlig neu fassen, da das eigene Verhalten virtuell abgebildet werden kann. Bspw. werden virtuell konzipierte Werkstücke, etwa beim Autobau Mittelkonsolen, per AR-Anwendungen simuliert.

Der Entwickler oder – idealerweise über Open Innovation – auch der Kunde hat damit die Möglichkeit, zu prüfen, ob die Teile tatsächlich funktional und anwenderfreundlich angeordnet worden sind oder ob Optimierungsbedarf entsteht. Die Vorteile liegen auf der Hand, vor allem die Reduzierung von Forschungs- und Entwicklungskosten sowie die Verkürzung des Entwicklungsprozesses.

Open Innovation

Der Begriff der Open Innovation stammt von Henry Chesbrough und bezeichnet die meist plattformübergreifende Öffnung des Innovationsprozesses in Unternehmen und die strategische Nutzung der Außenwelt. Dazu müssen die Unternehmen imstande sein, externes Wissen zu internalisieren und internes Wissen zu externalisieren. Das durch steigenden Wettbewerbsdruck, kürzere Produktlebenszyklen und höheren Innovationsdruck begründete Konzept wirkt sich vor allem auf die Forschungs- und Entwicklungsabteilung aus. Lautete das Motto der Closed Innovation, also der Innovation ausschließlich im Unternehmen, „We can do it, we will do it“ („Wir schaffen das“), so gilt für die Open Innovation die Devise „The best from anywhere“. Eigene Mitarbeiter außerhalb des Forschungs- und Entwicklungsteams, aber auch „Stakeholder“ wie Kunden, Lieferanten, Universitäten sowie auch Mitbewerber und Unternehmen anderer Branchen können in den Innovationsprozess eingebunden werden.

Es handelt sich um ein kollaboratives Networking im Bereich der Forschungs- und Entwicklungsarbeit, das auf Wissensaustausch und Vernetzung von Know-how basiert. Da Open Innovation immer ein Geben und Nehmen impliziert und viele Unternehmen immer noch zurückhaltend sind, eigenes Know-how preiszugeben, hat sich das Konzept noch nicht in der Breite durchgesetzt – dennoch ist angesichts des Drucks auf die Unternehmen zu erwarten, dass sich Open Innovation mehr und mehr durchsetzen wird. Beispiele für gelungene Projekte sind InnovationJam, eine IBM-Plattform, über die Unternehmen und Universitäten aus verschiedenen Ländern miteinander kooperieren, oder die Internet-Musikbörse Last.fm, die sogenannte „Hacker-Tage“ organisiert, an denen Nutzer neue Applikationen entwickeln können.

Coopetition

Die Coopetition – ein Kunstwort, das sich aus Competition (Wettbewerb) und Cooperation (Zusammenarbeit) zusammensetzt – bedeutet eine Dualität aus Kooperation und Wettbewerb. So können auf der gleichen Wertschöpfungsstufe – in diesem Fall eben meistens der Forschung & Entwicklung – die Kompetenzen und das Know-how gebündelt werden (horizontale Kooperation), während man etwa in puncto Marketing und Vertrieb Wettbewerber bleibt. Ein Beispiel ist die Kooperation zwischen VW und Ford, die gemeinsam einen Fahrzeugtyp entwickelten, der bei VW als „VW Sharan“ und „Seat Alhambra“, bei Ford als „Ford Galaxy“ vermarktet wurde. Einfacher ist die gemeinsame Produktentwicklung natürlich zwischen Unternehmen, die mit dem Produkt unterschiedliche Anwendungs-zwecke verfolgen und unterschiedliche Zielgruppen bedienen.

Customer Experience

Auch die Customer Experience ist eng mit der Open Innovation verbunden. Hierbei geht es um die gezielte Einbindung von Kunden, oft sogenannter Lead-User, also besonders fortschrittlicher Anwender, zur Verbesserung und Weiterentwicklung von Produkten. In sogenannten „Customer Experience Centres“ haben Kunden die Möglichkeit, Prototypen und Produkte zu testen. Während mit dem Ansatz der Customer Experience generell positive Kundenerfahrungen generiert werden und die Kunden im Idealfall zu „begeisterten Botschaftern“ gemacht werden sollen, bedeutet er für die Forschungs- und Entwicklungsabteilung die passgenaue Identifikation der Kundenwünsche. Nichts ist schlimmer als ein Team verspielter Technikfreaks, die an den Kundenwünschen vorbeiarbeiten. Die zentrale Forderung, gerade für Forschung & Entwicklung, lautet daher: „Customer Experience bedeutet, die Bedürfnisse des Kunden nicht nur zu erfüllen, sondern jederzeit zu übertreffen.“ Voraussetzung dafür ist, sie zu kennen. //


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