Wie Rheinmetall Air Defence sein Änderungsmanagement verbessert hat - mit einem Defense Digital Twin

Nachhaltiges, langfristiges Wachstum bei steigender globaler Nachfrage

Der Verteidigungsmarkt erfährt einen signifikanten Zuwachs an Umsatz und Aufmerksamkeit, da internationale Konflikte immer unberechenbarer werden. Dieser Nachfrageschub nach Rüstungsgütern hat zu vollen Auftragsbüchern bei Unternehmen der Verteidigungsindustrie wie der Rheinmetall AG geführt und verspricht ein robustes Wachstum in diesem Sektor.

So stieg der Konzernumsatz der Rheinmetall AG allein im ersten Halbjahr 2024 spürbar um mehr als 30%. In der Division Electronic Solutions (u.a. Flugabwehr und Digitalisierungstechnologien) stieg der Auftragseingang um mehr als 400%.

"Allein im zweiten Quartal 2024 sind wir beim Umsatz um rund 50 Prozent gewachsen und haben das Ergebnis mehr als verdoppelt. [...] So stark sind wir noch nie gewachsen. Auch in den kommenden Jahren erwarten wir jährliche Umsatzzuwächse in der Größenordnung von rund 2 Milliarden Euro." - Armin Pappberger, Vorstandsvorsitzender Rheinmetall AG

Da die Nachfrage nach dem Schutz kritischer Infrastrukturen stark gestiegen ist, war das bodengestützte Flugabwehrsystem (GBAD) Oerlikon Skyranger® 30, das von Rheinmetall Air Defence (RAD) in Zürich gebaut wird, einer der Treiber für dieses Wachstum.

Vor dem Hintergrund der wachsenden Nachfrage möchte RAD die Produktion des Skyranger skalieren, um durch gesteigerte Effizienz zusätzliche Einnahmen zu realisieren. Das Unternehmen ist sich bewusst, dass ein umfassender Ansatz unerlässlich ist, und hat sich zum Ziel gesetzt, seine Produktivität und Effizienz durch technologische Befähigung und digitale Konnektivität in allen Bereichen zu steigern.

Beherrschung der Komplexität

Bisher hauptsächlich mechanische Systeme werden immer digitaler, vernetzter und enthalten mehr Elektronik und Software. Dieser Anstieg der elektrischen/elektronischen (E/E) und Software-Anteile bringt mehr Komplexität mit sich, da der Markt nach noch fortschrittlicheren Funktionen verlangt.

So steht die Automobilindustrie heute an der Schnittstelle zwischen einer rasanten technologischen Entwicklung und einer intensiven regulatorischen Beobachtung, die durch die Integration fortschrittlicher Funktionen wie Sensoren, autonome Fahrfunktionen und Fahrerassistenzsysteme vorangetrieben wird. Jede dieser Funktionen bringt neue Abhängigkeiten mit sich und schafft ein hochkomplexes Netzwerk aus miteinander verbundenen Software- und Hardwarekomponenten in Fahrzeugen.

So muss beispielsweise ein Sensor, der die adaptive Geschwindigkeitsregelung unterstützt, nahtlos sowohl mit sicherheitskritischen Bremssystemen als auch mit nicht kritischen Funktionen wie dem Infotainment zusammenarbeiten. Diese Verflechtung erhöht die Herausforderung, sicherzustellen, dass jede Funktion innerhalb des Gesamtsystems zuverlässig und sicher funktioniert, zumal Fahrzeuge zunehmend auf Software-Updates und Echtzeit-Datenaustausch angewiesen sind, um konform und effizient zu bleiben.

Beherrschung der Komplexität in der Verteidigung

Gleichzeitig sind die regulatorischen Anforderungen an die Automobilhersteller strenger und vielschichtiger geworden, so dass die Hersteller kontinuierlich Sicherheitsstandards, Emissionsvorschriften und Cybersicherheitsmandate erfüllen müssen. Jede neue softwaredefinierte Funktion in einem Fahrzeug unterliegt spezifischen gesetzlichen Anforderungen, die über den gesamten Lebenszyklus hinweg sorgfältig dokumentiert, getestet und validiert werden müssen.

Die Einhaltung der Vorschriften geht nun über die traditionellen physischen Inspektionen hinaus und bewegt sich in den Bereich der digitalen Überwachung, wo Software-Updates, Datenintegrität und Echtzeitüberwachung den behördlichen Anforderungen entsprechen müssen. In diesem Umfeld stehen die Entwicklungsteams unter erheblichem Druck, um sicherzustellen, dass jedes Teil des Fahrzeugs den internationalen Normen entspricht, da selbst kleine Versäumnisse zu kostspieligen Rückrufen, Verzögerungen oder rechtlichen Konsequenzen führen können. Infolgedessen müssen die Automobilhersteller nicht nur schnelle Innovationen erzielen, sondern sich auch in einem hochkomplexen rechtlichen Umfeld zurechtfinden.

Das Gleiche gilt für Verteidigungssysteme, bei denen hochentwickelte Sensoren und Effektoren nahtlos koordiniert und synchronisiert werden, um unter schwierigsten Bedingungen maximale Wirkung zu erzielen. Im Falle des Skyranger bedeutet dies die Integration eines Active Electronically Scanned Array (AESA) Radars und hochauflösender optischer Verfolgungssysteme in einen hochmobilen Turm, in dem das leistungsstarke Flugabwehrgeschütz untergebracht ist, wobei die Steuerung durch den Bediener im Trägerfahrzeug erfolgt.

Aus diesem Grund hat Rheinmetall Air Defence eine eingehende Studie durchgeführt, um die Vorteile der Ergänzung des physischen Produkts durch ein digitales Gegenstück, den digitalen 3D-Zwilling, zu verstehen.

Vorteile des digitalen Zwillings

Ein digitaler Zwilling bietet einen revolutionären Ansatz, der es Verteidigungsunternehmen ermöglicht, genaue virtuelle Darstellungen der Funktionsweise und Kommunikation dieser Systeme zu erstellen - wie ein menschliches Gehirn und Nervensystem senden die elektronischen Steuereinheiten (ECU) in der E/E-Architektur Signale an das gesamte System, um Aktionen (Funktionen) zu steuern. Die virtuelle Darstellung dieser Kommunikationsflüsse und Verknüpfungen erleichtert die Überwachung, vorausschauende Analyse und nahtlose Integration über verschiedene Subsysteme hinweg und verbessert so die Zuverlässigkeit und Effizienz in allen Entwicklungsbereichen.

Transparenter Überblick über die Produktreife

Durch die Verknüpfung von Produktdaten aus verschiedenen Quellen erhalten die Ingenieure wertvolle Einblicke in die Produktreife und die allgemeine Effizienz. So kann das Entwicklungsteam die Entwicklung, den Reifegrad und die Leistung kritischer Komponenten überwachen, Abhängigkeiten nachvollziehen und potenzielle Probleme erkennen, bevor sie eskalieren. Die frühzeitige Erkennung von Problemen macht redundante Testzyklen überflüssig, wodurch unnötige Kosten gesenkt und Qualitätsstandards eingehalten werden.

Dank des verbesserten Einblicks in die Produktreife können die Teams  Liefertermine vorhersagen und Probleme angehen, bevor sie sich auf den Zeitplan auswirken. Dies ermöglicht es Managern, fundierte Entscheidungen zu treffen und den Beteiligten zuverlässige Prognosen zu liefern.

Verbesserung der teamübergreifenden Zusammenarbeit

Aufgrund der zunehmenden Interdependenzen wächst der Bedarf an einer engeren Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Bereichen. Der digitale Zwilling ermöglicht es funktionsübergreifenden Teams bei RAD, koordiniert an verschiedenen Modulen zu arbeiten.

Während die Maschinenbauingenieure mit den 3D-CAD-Daten arbeiten, können die Systemingenieure alle Anforderungen sehen, die mit einer Funktion oder Komponente verbunden sind - E/E-Architekten können elektrische Systeme und Abhängigkeiten visualisieren, während Kabelbaumexperten Verbindungen in Echtzeit entwerfen und überprüfen können. Dies bedeutet, dass die Ingenieure mit realen Daten arbeiten. Wenn Daten aktualisiert werden, hat jeder Zugriff darauf. Dieser kollaborative Ansatz minimiert Fehler und beschleunigt den Entwicklungsprozess.

Optimierung von Wissensmanagement und Fortbildung

Durch die Erfassung und Zentralisierung komplexer Produktdaten bietet der digitale Zwilling eine umfassende und leicht zugängliche Wissensdatenbank. Dies ermöglicht es Ingenieuren und Verteidigungspersonal, sich schnell mit Systemkonfigurationen, Subsystemen und Abhängigkeiten vertraut zu machen. Angesichts des zunehmenden Fachkräftemangels wird dieses zentralisierte Wissen sogar noch wichtiger, da es weniger erfahrenes Personal in die Lage versetzt, sich schnell einzuarbeiten, und stellt sicher, dass wichtige Systeminformationen sofort verfügbar sind, wodurch die Abhängigkeit von spezialisiertem Fachwissen verringert wird.

Für die Weiterbildung dient der digitale Zwilling als praktisches Schulungsinstrument, das es neuen Teammitgliedern ermöglicht, mit Echtzeit-Systemdaten zu interagieren und komplexe Konfigurationen durch Simulationen zu verstehen. Dadurch wird die Einarbeitungszeit drastisch verkürzt und sichergestellt, dass das Team mit präzisem, aktuellem Wissen ausgestattet ist, um mit sich entwickelnden Verteidigungstechnologien effektiv umgehen zu können.

Schnelleres Fehlermanagement

Der digitale Zwilling vom Skyranger ermöglicht es den Ingenieuren, die Ausfallwahrscheinlichkeit zu minimieren und potenzielle Fehler zu vermeiden, bevor sie auftreten, indem er eine äußerst detaillierte Darstellung der Systemkomponenten und -funktionen liefert. Dazu gehört auch die Durchführung von Failure Mode and Effects Analysis (FMEA) und Fault Tree Analysen (FTA) innerhalb der digitalen Umgebung, die es den Teams ermöglichen, Schwachstellen proaktiv zu erkennen und Strategien zur Fehlerbehebung zu implementieren.

Ingenieure können schnell die Grundursache ermitteln, die Auswirkungen auf miteinander verbundene Komponenten bewerten und Lösungen effizienter implementieren - all dies reduziert die Ausfallzeiten von Systemen und verbessert die allgemeine Betriebsbereitschaft.

Skalierung der Produktion

Der digitale 3D-Zwilling hilft bei der Skalierung von Produktionsprozessen, indem er Echtzeit-Einblicke in die Fertigung bietet. Er hilft bei der Rationalisierung von Arbeitsabläufen, was zu schnelleren, besser skalierbaren, fehlerfreien und wiederholbaren Produktionsprozessen führt.

Durch die Extraktion von Vorrangigkeitsdiagrammen aus 3D-CAD-Modellen und Stücklistendaten können zudem manuelle Eingaben reduziert werden, was genaue und effiziente Montageschritte gewährleistet. Der Algorithmus generiert nicht einfach nur eine beliebige Reihenfolge, sondern berechnet geometrisch logische Abhängigkeiten auf der Grundlage der im 3D-Modell vorhandenen räumlichen Beziehungen und Einschränkungen.

Dieser Ansatz ermöglicht sowohl eine räumliche Analyse als auch die Erkennung von Einschränkungen und dynamische Anpassungen. Die Benutzer können das Ergebnis in einem webbasierten 3D-Modell validieren und anpassen, so dass die Teams sowohl parallele als auch sequenzielle Montageschritte nahtlos verwalten können.

Predictive/preventive Maintenance 

Die digitale 3D-Zwillingstechnologie ermöglicht auch eine prädiktive und präventive Wartung. Die Nutzungs- und Vorlaufzeitdaten des physischen Zwillings ermöglichen es dem Kunden, ihre Ersatzteile zu verwalten und so die Einsatzbereitschaft zu gewährleisten und die Ausfallwahrscheinlichkeit zu reduzieren. Die durch den digitalen 3D-Zwilling ermöglichte vorausschauende Wartung trägt dazu bei, Ausfallzeiten zu minimieren, Reparaturen zu optimieren und Systeme über längere Zeiträume ohne unerwartete Unterbrechungen in Betrieb zu halten.

Verbesserung der Impact-Analyse bei Änderungen

Wenn der Skyranger weiterentwickelt wird, um neuen Bedrohungen zu begegnen, sorgt der digitale Zwilling dafür, dass Aktualisierungen nahtlos in die Systemarchitektur integriert werden.

Diese Fähigkeit ist besonders wertvoll in der Entwicklung, wo Design- und Technologieänderungen virtuell bewertet werden können. Ingenieure können Änderungen an Komponentenlayouts, Materialien und Konfigurationen analysieren, einschließlich der Überprüfung von Standards und Anforderungen an Kabelbäume, Berechnungen des Spannungsabfalls oder Spezifikationen von Unterkomponenten. So wird sichergestellt, dass alle Anpassungen optimiert werden, bevor sie in die Produktion gehen.

Das Skyranger-System ist so flexibel, dass es in einer Vielzahl von Fahrzeugen eingesetzt werden kann. Wenn neue Varianten eingeführt werden, kann das digitale Zwillingssystem automatisch überprüfen, ob jede Variante die relevanten Normen und Spezifikationen einhält. Dieser Ansatz stellt sicher, dass jede Variante mit minimalem Risiko entwickelt und getestet wird, was Zeit spart und die Konformität über alle Produktversionen hinweg gewährleistet.

Visualisierung von Abhängigkeiten

Darüber hinaus bietet der digitale 3D-Zwilling eine strukturierte Visualisierung von Aufgaben oder Abhängigkeiten, die für komplexe Verteidigungssysteme entscheidend sind. Indem er aufzeigt, welche Aufgaben abgeschlossen sein müssen, bevor andere beginnen können, sorgt er für ein effizienteres Projektmanagement und eine effizientere Ressourcenzuweisung.

In der Luftverteidigung, wo Systeme aus zahlreichen miteinander verbundenen Komponenten bestehen, hilft das Prioritätsdiagramm dabei, potenzielle Engpässe zu erkennen, Arbeitsabläufe zu optimieren und die Gesamtprojektzeitpläne zu verbessern. Es schafft Klarheit bei der Systementwicklung, der Fehlersuche und der Betriebsbereitschaft und stellt sicher, dass produktkritische Prozesse in der richtigen Reihenfolge ausgeführt werden.

Verbesserung der Sicherheitsanalyse

Durch die Bereitstellung eines umfassenden virtuellen Modells des gesamten Systems können Ingenieure detaillierte Gefahrenanalysen durchführen und Betriebsszenarien simulieren, um potenzielle Sicherheitsrisiken zu erkennen, bevor sie auftreten.

Mit dem digitalen Zwilling können sicherheitskritische Funktionen und Notfallverfahren in einer kontrollierten, risikofreien Umgebung analysiert werden. Die Integration der Sicherheitsanalyse in den digitalen Zwilling verbessert nicht nur die allgemeine Sicherheit und Zuverlässigkeit des Systems, sondern gewährleistet auch die Einhaltung der strengen Sicherheitsstandards der Verteidigungsindustrie. Dieser proaktive Ansatz beschleunigt den Zertifizierungsprozess und stärkt das Vertrauen in die Bereitschaft des Systems für den Einsatz in risikoreichen Umgebungen.

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Digitale Zwillingslösungen im Verteidigungsbereich - powered by SPREAD

Während wir ursprünglich Automobilkunden mit Softwarelösungen für digitale Zwillinge und Agentic Engineering Intelligence belieferten, haben wir auf Basis derselben bewährten Technologie spezielle Lösungen für Verteidigungsunternehmen entwickelt. SPREAD integriert Daten aus verschiedenen Quellen wie PLM-, PDM- und CAD-Systemen über intelligente Konnektoren und schafft so eine dynamische, zentralisierte Sicht auf komplexe Systeme, die Silos beseitigt und einen schnellen, zuverlässigen Zugriff auf Informationen gewährleistet.

Der Product Twin, der auf einem Knowledge Graph basiert, konsolidiert und kontextualisiert Produktdaten und unterstützt Simulationen, Abhängigkeitsanalysen und rollenbasierten, sicheren Zugriff auf sensible Informationen. Die Action Cloud automatisiert komplexe Aufgaben wie Konformitätsprüfungen und Anforderungsoptimierung und ermöglicht es Ingenieuren, sich auf Innovationen zu konzentrieren und gleichzeitig präzise, umsetzbare Einblicke zu gewährleisten.

Durch den Einsatz fortschrittlicher Technologien wie Wissensgraphen und maschinelles Lernen, die eine nahtlose Datenintegration und Skalierbarkeit gewährleisten, sind Ingenieure in der Lage, datengestützte Entscheidungen zu treffen und Verbesserungen in der Produktion und in der Entwicklung effektiver umzusetzen. Darüber hinaus verwendet SPREAD ein präzises Datenfreigabemodell, das jedem Benutzer je nach seiner Rolle Zugriff gewährt und sicherstellt, dass nur relevante Daten zur Verfügung stehen, wo und wann sie benötigt werden. Dieser Ansatz dient dem Schutz sensibler Informationen, der Einhaltung von Compliance-Standards und der Verbesserung der teamübergreifenden Zusammenarbeit. Es stellt sicher, dass Ingenieure, Manager oder externe Partner nur auf die Daten zugreifen können, die sie für ihre jeweiligen Aufgaben benötigen.

Wie geht es weiter mit dem digitalen Zwilling?

Die Integration der Technologie des digitalen Zwillings in den gesamten Lebenszyklus von Verteidigungsprodukten, von der Entwicklung über die Produktion und den Ersatzteilmarkt bis hin zur Wartung, hat das Potenzial, die Art und Weise zu revolutionieren, wie Ingenieure fortschrittliche Luftverteidigungssysteme entwerfen, entwickeln und herstellen.

Aber das ist noch nicht alles. KI-Agenten, die entweder auf der Grundlage von Fachwissen oder Unternehmensdaten trainiert werden, werden eine zentrale Rolle bei der Förderung weiterer bahnbrechender Innovationen im Rahmen des digitalen Zwillings im Verteidigungsbereich spielen.

Solche KI-Agenten können die Optimierung von Teilsystemen in Echtzeit erleichtern und Parameter dynamisch anpassen, um Spitzenleistungen zu gewährleisten. Sie können mehrere Szenarien simulieren und testen, wie verschiedene Variablen innerhalb des Systems interagieren, so dass Verteidigungsteams neue Designmöglichkeiten und innovative Konfigurationen erkunden können - ohne dass physische Prototypen erforderlich sind.

Außerdem können sie selbstständig große Mengen an Echtzeitdaten aus dem digitalen Zwilling analysieren und Muster, Anomalien und potenzielle Systemschwachstellen erkennen, die für menschliche Ingenieure unsichtbar wären.

Auf diese Weise lassen sich die Zeit und die Kosten für Entwicklung drastisch reduzieren, während gleichzeitig der Weg für neue Verteidigungslösungen geebnet wird. Durch die Automatisierung von Routineaufgaben wie Diagnose und Ressourcenzuweisung entlasten KI-Agenten Ingenieure, sodass diese sich auf strategische und wichtige Innovationen konzentrieren und die Grenzen des heute Möglichen in der Verteidigungstechnologie verschieben können.

Fazit

Für das Skyranger-Projekt bedeutet dieser Ansatz nicht nur eine beschleunigte Entwicklung und Produktion, sondern auch eine verbesserte Effizienz und Zuverlässigkeit. Es ermöglicht auch nahtlose Aktualisierungen und Anpassungen und stellt sicher, dass der Skyranger an der Spitze der Verteidigungsfähigkeiten bleibt - bereit, die sich entwickelnden Anforderungen moderner Herausforderungen mit Präzision und Agilität zu erfüllen.

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