Díky digitálním vývojovým metodám se datové kabely pro automobily dostávají na trh rychleji než kdy dříve

Moderní vozidla vyžadují vysoce komplexní palubní sítě – s kilometry dlouhých datových kabelů, které musí být mimořádně spolehlivé a výkonné, zejména v bezpečnostně kritických aplikacích autonomního řízení. Megatrendy, jako je softwarově definované vozidlo, zároveň vyžadují stále rychlejší vývojové cykly a inovativní řešení. Time to market, tedy doba od nápadu až po uvedení na trh, se stává klíčovým konkurenčním faktorem: Kdo dokáže uvést nové systémy do sériové výroby rychleji, získává technologickou i ekonomickou výhodu. Dlouhé vývojové cykly si dnes už nemůžeme dovolit. Díky digitálním metodám vývoje lze výrazně zkrátit čas potřebný k dosažení fáze sériové výroby. Ale jaké metody to konkrétně jsou?

Vysoká technická a procesní složitost

Datové kabely musí zvládat stále vyšší nároky, a to zejména s postupným zaváděním autonomního řízení, protože představují „nervový systém“ moderních vozidel. Musí přenášet data vysokou rychlostí, být odolné vůči elektromagnetickému rušení, vůči teplotám a ohybu a zároveň šetřit místo a ideálně i náklady.  Zároveň však tradiční sekvenční vývojové postupy zpomalují rychlou implementaci: Dlouhé koordinační procesy, roztříštěná nástrojová prostředí, složité rozhraní mezi odbornými odděleními a opakované validace při každé změně návrhu stojí drahocenný čas. Konstrukce, simulace, validace a výroba často fungují v samostatných systémech bez propojené datové platformy. Informace se musí přenášet manuálně, opakovaně zpracovávat nebo konvertovat do nekompatibilních formátů. Inženýři ve vývoji palubních sítí věnují odhadem až 80 % času změnám a jejich koordinaci, což je obrovská časová zátěž. Tyto omezující faktory jasně ukazují, že pro zkrácení doby uvedení produktu na trh jsou nezbytné nové metody, které zvládnou technické výzvy a urychlí celý proces vývoje.

Simulace: včasná validace, úspora času

Vývojové cykly lze výrazně zkrátit včasnou simulací. Vysoce vyspělý simulační software umožňuje včas virtuálně ověřit EMC vlastnosti, chování signálu a výběr materiálů. Tak lze předejít chybám ve vývoji a snížit počet fyzických prototypů. Konkrétním příkladem je projekt BordNetzSim3D, který financuje německé Spolkové ministerstvo pro hospodářské záležitosti a opatření v oblasti klimatu (BMWK). Zde je poprvé realizována plně digitalizovaná platforma, která firmám umožňuje vyvíjet palubní sítě pomocí simulací – od fáze konceptu až po sériovou výrobu. Rozhodnutí o návrhu jsou ověřována již ve fázi konceptu a tento digitální koncept zkracuje dobu uvedení produktu na trh.

Digital twin: virtuální zobrazení urychlující vývoj

Zatímco simulace často pokrývají jednotlivé aspekty nebo testovací situace, digital twin je o krok dál. Zobrazuje fyzický produkt v 3D datovém modelu; včetně geometrie, elektrických vlastností a vnějších vlivů. Díky tomu lze kabelové systémy simulovat a optimalizovat v reálném čase. Vývojáři tak mohou simulovat provozní chování ve vozidle ještě před samotnou existencí reálných prototypů. Na digitálním modelu lze například analyzovat mechanické zatížení, tepelnou degradaci nebo elektrické rušení. Všechny kroky procesu – až po výrobu – lze bezproblémově propojit a jsou postaveny na jedné digitální datové platformě. Pokud je zjištěn problém (např. přehřívání na určitém místě), může se 3D konstrukce upravit a virtuálně znovu otestovat, a to v rámci několika dnů místo mnoha týdnů. V praxi již Digital twin v průmyslu zlepšuje spolupráci napříč týmy i zeměmi. Změny se zaznamenávají centrálně a jsou viditelné pro všechny. Tento princip „Single Source of Truth“ (jediný zdroj pravdy) zabraňuje nekonzistencím a umožňuje paralelní práci. Konstrukce, simulace i plánování výroby tak mohou probíhat současně, aniž by na sebe musely čekat. Různé týmy využívají společnou, aktuální informační platformu a synchronizují své dílčí systémy. Úpravy návrhu se přímo testují a synchronizují na digitálním modelu. To šetří čas, zvyšuje kvalitu a umožňuje paralelní vývoj.

Rychlé prototypování: rychlejší prototypy a efektivní zpětné vazby

Navzdory všem simulacím zůstává v mnoha případech reálný prototyp nepostradatelný – ať už pro haptické testy, zkoušky přesnosti montáže ve vozidle nebo pro prezentace zákazníkům. Rychlé prototypování označuje metody, pomocí kterých lze takové vzorové díly vyrobit velmi rychle. Zásadní změnu zde způsobil především 3D tisk (aditivní výroba). 3D tisk dokáže z CAD návrhu během několika hodin vytvořit skutečnou fyzickou součástku. Součástky tak lze rychle vyrobit, upravit a znovu zhotovit. Výroba pomocí 3D tisku dnes výrazně urychluje celý vývojový proces. Díky tomu mají vývojáři často více času na zkoumání různých možností návrhu. Rychlé prototypování tedy přispívá nejen k agilnějšímu a zákaznicky orientovanějšímu průběhu projektů, ale také podporuje kreativitu: Více procesů za kratší dobu znamená, že lze vyzkoušet a optimalizovat rozmanitější nápady, než se návrh dostane do sériové výroby.

Delta testování: cílené testování místo opakované komplexní validace

Téměř každá změna vždy znamenala rozsáhlou komplexní validaci: Aby bylo zajištěno, že jsou stále plněny veškeré specifikace, bylo nutné opakovat mnoho testů. To stojí hodně času. Právě zde přichází na scénu delta testování: Už se nemusí pokaždé provádět celý testovací proces, ale v případě změny se testování cíleně zaměřuje na dotčené oblasti – tedy na rozdíl oproti předchozímu stavu (delta). Testují se tak pouze komponenty, kterých se úpravy skutečně týkají, například při změnách materiálu nebo drobných úpravách návrhu. Předpokladem je transparentní dokumentace změn a digitální sledovatelnost. Simulace a Digital twin pomáhají přesně vymezit dopady a správně odhadnout rizika. Delta testování v řízení změn tak celkově umožňuje agilnější přístup k úpravám: Aktualizace a vylepšení lze rychleji integrovat, aniž by byl pokaždé narušen plán uvedení na trh.

„Concurrent Engineering“ – paralelní vývoj

Klíčovým faktorem pro zkrácení doby vývoje je přechod od sekvenčního vývoje k paralelnímu. V klasickém „Waterfall modelu“ čeká každý krok procesu (například návrh krytu) na dokončení předchozího kroku (například hotové elektrické schéma) a až poté začíná další fáze. Tyto postupy vedou k čekacím dobám a zbytečně zpomalují celý projekt. Concurrent Engineering (paralelní vývoj) tento model prolamuje: V tomto případě probíhá několik vývojových prací současně a jednotlivé práce jsou úzce koordinovány. Konstruktéři například pracují na mechanické integraci datových kabelů ve vozidle, zatímco elektrotechnici ještě pracují na optimalizaci schématu zapojení. Oba týmy během celého procesu spolupracují a postupně provádějí úpravy svých dílčích výsledků. Podmínkou je použití průběžných datových modelů a vysoká míra výměny informací. Všichni pracují na produktu současně, s podporou společných datových modelů, například v PLM systémech (Product Lifecycle Management). Digital twin při tom slouží jako centrální zdroj informací. Případné problémy jsou včas rozpoznány a řešeny. Výhodou paralelního vývoje je úspora času a lepší kvalita výsledků. Problémy či nesoulady mezi obory (například příliš úzký prostor pro kabel v ochranném plášti) jsou odhaleny dříve, protože týmy pracují na propojeném celkovém systému současně. Úpravy se neprovádějí až na konci v náročných cyklech změn, ale řeší se průběžně. Postupně tak vzniká optimálně vyladěný návrh.

Moderní pracovní přístupy: agilní metody a rozptýlené týmy

Vliv moderních pracovních metod na dobu vývoje se nesmí podceňovat. Technické nástroje samy o sobě nestačí. Rychlost a kvalitu vývojových projektů významně ovlivňuje způsob spolupráce lidí. Ve vývoji vozidel, který se tradičně vyznačuje dlouhými cykly, se stále více prosazuje agilní způsob myšlení. Metody ze světa softwaru, jako Scrum nebo Kanban, se adaptují i na hardwarové projekty, aby bylo možné rychleji reagovat na změny. To například znamená organizovat vývoj v krátkých etapách, často a včas vyhodnocovat prototypy (včetně digitálních) a průběžně získávat zpětnou vazbu. Funkční interdisciplinární týmy složené z vývojářů, plánovačů výroby a specialistů na kvalitu přinášejí potřebné široké know-how, aby bylo možné rychle zvládat složité úkoly. Digitální nástroje, jako jsou Digital twin, usnadňují spolupráci a vzdálená spolupráce umožňuje realizovat projekty napříč pobočkami v reálném čase.

Zavedení takových pracovních postupů sice vyžaduje změnu firemní kultury, ale přináší rychlejší a kvalitnější výsledky.

Globálně propojené týmy vývoje produktů s jednotným CAD systémem v MD ELEKTRONIK

Společnost MD již dlouhou dobu sleduje trendy a výhody digitálních vývojových metod a mnoho z těchto prvků úspěšně využívá v různých vývojových projektech. Příkladem je paralelní simulační vyhodnocování 3D modelů během navrhování produktu. Simulace FEM včas ověří mechanické, dynamické a termické parametry budoucí komponenty a vysokofrekvenční a elektrická simulace vyhodnocuje parametry k vysoce výkonnému přenosu dat. K tomu byla vytvořena rozsáhlá databáze materiálů, která obsahuje základní vlastnosti polymerů a kovů včetně faktorů závislých na designu, například průběh teploty, tlumení a dielektrická vodivost, což umožňuje úsporu času při jejich použití.

Naše Rychlé prototypové centrum poskytuje interdisciplinárním vývojovým týmům na základě Digital twin prototypy vyrobené různými tiskovými technologiemi, které jsou voleny podle zamýšleného účelu použití. Díky tomu lze už během fáze návrhu realizovat například testy u zákazníků a partnerů při vývoji, aby bylo možné co nejdříve otestovat složité systémové architektury více dodavatelů a vzájemné působení komponent v prototypovém vozidle, nositeli techniky nebo maskovaném prototypu (Erlkönig) za reálných podmínek.

Paralelní cykly návrhu u krytů, kontaktních a funkčních dílů zajišťují rychlý vývojový proces, zatímco díky globálnímu působení MD mohou současně probíhat i projektové schůzky se zákazníky. Jakmile návrh dosáhne určitého stupně vyspělosti, na základě centrálního 3D modelu již začíná vývoj výrobních procesů a nástrojů. I zde slouží Digital twin jako základ pro simulaci vstřikování plastů (injection molding), která ukazuje a minimalizuje vlivy výkonu budoucího výrobního nástroje na součástku.