Cyber Engineering 2036: Die digitale Zukunft der Produktentwicklung

Die Produktentwicklung muss in Zukunft immer schneller immer komplexere Produkte entwickeln. Die Szenariotechnik soll helfen, sich auf diese Zukunft vorzubereiten. Bild: Smarterpix/Rawpixel

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Die Produktentwicklung muss neue Wege gehen. Die digitale Transformation, Nachhaltigkeit und regulatorsche Anforderungen sind einige der Rahmenbedingungen, die neue Abläufe und Werkzeuge erfordern. Um der neuen Wirklichkeit gerecht zu werden, hat der VDI mithilfe der Szenariotechnik eine Perspektive auf mögliche Entwicklungen ausgearbeitet. In dem eigens 
gegründeten VDI-Fachausschuss „Digitalisierung in der Produktentwicklung und im 
Projektmanagement“ wurde die Technik genutzt, um Zukunftsbilder zu entwickeln, die es 
Unternehmen ermöglichen, heute erforderliche Maßnahmen zu erkennen und sich auf mögliche Entwicklungen vorzubereiten.

1 Motivation

Die digitale Transformation in Unternehmen ist auf dem Weg, die bisherige Vorgehensweise in der Produktentwicklung und auch das Projektmanagement neu zu definieren. Agilität, Digitalisierung und Nachhaltigkeit treffen auf eine Marktsituation, in der im Lebenszyklus der Produkte nicht mehr nur der Markt im Fokus ist. Auch die Erfüllung der gesetzlichen Anforderungen, inklusive zwingend erforderlicher Vorgaben zur Sicherheit, sowie im Bereich der Verfügbarkeit von Ressourcen und Fachkräften, unzuverlässig gewordene Lieferketten spielen eine gewichtige Rolle.

Die Richtlinien des VDI sind von dieser vielfach volatilen, komplexeren und widersprüchlichen Wirklichkeit genauso betroffen wie die Produkt­entwicklung, die immer schneller immer komplexere Produkte hervorbringen muss. Das heißt auch, dass eine Amortisation in einer zunehmend verkürzten Vermarktungsdauer in einem sich verschärfenden Wettbewerbsumfeld erreicht werden muss. Um in dieser digitalisierten und komplexeren Welt bestehen zu können, sind dringend geänderte Abläufe, Werkzeuge und Qualifikationen erforderlich. Nur so lässt sich die Wettbewerbsfähigkeit erhalten. Neue, innovative Lösungen und Produkte können künftig nicht mehr wie bisher entwickelt werden.

Der VDI hat mithilfe der Szenariotechnik eine Perspektive auf mögliche Entwicklungen bis 2036 ausgearbeitet, die jetzt zur Diskussion, für strategischen Überlegungen in Unternehmen, für den eigenen Beruf, die Ausbildung als Perspektive und als Input für unternehmerische Entscheidungen genutzt werden können.

Die Szenariotechnik wurde in den Zeiten des „Kalten Krieges“ entwickelt, um strategische Vorhersagen machen und so rechtzeitig Risiken und Chancen erkennen zu können. Bahnbrechend für die Anwendung der Szenariotechnik in der Industrie war die Studie der Firma Shell aus dem Jahr 1973 („The World/The Energy Problem to 1990“), die wesentlich zur Bewältigung der Ölkrise und zum Unternehmenserfolg beigetragen hat.

Die Szenariotechnik bietet sich an, die erforderlichen Investitionsentscheidungen hinsichtlich der zukünftigen Entwicklung abzusichern. Vor diesem Hintergrund wurde die Szenariotechnik im eigens gegründeten VDI-Fachausschuss „Digitalisierung in der Produktentwicklung und im Projektmanagement“ als Werkzeug genutzt, um die heute erforderlichen Maßnahmen und die kommenden, möglichen Entwicklungen erkennen und sich entsprechend auf diese Entwicklungen vorbereiten zu können.

2 Das VDI-Szenario

Die Szenariotechnik ist eine Methode, die es in Schritten ermöglicht, konsistente Zukunftsbilder zu entwickeln. Das Ergebnis des VDI-Szenarios sind vier mögliche Entwicklungen (Zukünfte) mit ersten Empfehlungen für die Industrie, Ausbildungsstätten und die Personalentwicklung. Zum besseren Verständnis wurden vier Kurzgeschichten am Beispiel der Entwicklung einer Kaffeemaschine entworfen. Darüber hinaus profitiert die Richtlinienarbeit im VDI von diesen Ergebnissen. Bild 1 zeigt den Ablauf einer Szenarioanalyse.

Schritt 1: Einflussfaktoren 
bestimmen
Zunächst werden durch ein möglichst diverses Team von Expertinnen und Experten aus einer großen Menge von Trends, Einflüssen, Vorgaben und Entwicklungen diejenigen ausgewählt, die maßgeblich für das Untersuchungsthema sind. Aus 100 oder 200 solcher „Einflussfaktoren“ werden in der Regel 15 bis 21, den Untersuchungsgegenstand die wichtigsten, die bestimmenden ausgewählt (sogenannte Schlüsselfaktoren) und anschließend in ihren vermuteten, sinnvollen zukünftigen Ausprägungen (in der Regel zwei bis vier sogenannte Projektionen je Schlüsselfaktor) diskutiert, bewertet und in Beziehung gesetzt.

Schritt 2: Schlüsselfaktoren 
bestimmen
Die Schlüsselfaktoren müssen maßgeblich für das Thema sein und können beschleunigend (Treiber) oder bremsend (Blocker) auf das untersuchte Thema einwirken. So entsteht im Kleinen Stück für Stück das künftige, große Bild: Eine Matrix, die die mögliche Entwicklung der Schlüsselfaktoren mit ihren Projektionen und deren Einfluss jeweils aufeinander abbildet. Für das VDI-Szenario der digitalen Produktentwicklung wurde ein Zeithorizont von zehn Jahren (bis 2036) gewählt. Es wurden insgesamt 16 Schlüsselfaktoren (acht Treiber und Blocker, Tabelle) mit jeweils drei möglichen zukünftigen Ausprägungen (positiv, neutral, negativ) identifiziert, intensiv im Gremium diskutiert und bewertet.

Schritt 3: Projektionen ermitteln
Die große Anzahl der möglichen Kombinationen (die Matrix des hier betrachteten Szenarios mit 16 Schlüsselfaktoren und jeweils drei Ausprägungen/Projektionen beinhaltet 3¹⁶ = 43 046 721 theoretische Kombinationsmöglichkeiten) kann nicht mehr manuell, sondern nur noch mit Software-Tools sinnvoll bearbeitet werden. Als Ergebnis entstehen so Cluster, die dann so lange verdichtet werden, bis eine überschaubare Anzahl klar unterscheidbarer Rohszenarien entsteht.

Schritt 4: Konsistenz herstellen
Zu allen Schlüsselfaktoren und ihren jeweiligen Projektionen wurden möglichst exakte textliche Beschreibungen erstellt. Die Projektionen der Schlüsselfaktoren wurden anschließend paarweise auf ihre Verträglichkeit hin geprüft und mit einer fünfstufigen Bewertung versehen (insgesamt 1 080 Felder in der Konsistenzmatrix, siehe Ausschnitt in Bild 2). Diese Phase war geprägt von langen Diskussionen unter den Fachleuten aus den verschiedensten Fachbereichen. Und genau diese Diskussionen machen Zukunftsszenarien als Werkzeug zur Einschätzung künftiger Entwicklungen und deren Relevanz so wertvoll.¹

Schritt 5: Szenarien mit dem Szenario-Manager erstellen
Mithilfe eines kommerziell verfügbaren Werkzeuges (Scenario-Manager des Unternehmens ScMI AG) war es unter Berücksichtigung der in der Konsistenz­matrix definierten Verträglichkeiten anschließend möglich, alle Ausprägungen zusammenzuführen und so zu den nachfolgend beschriebenen vier Szenarien (= Zukünfte) zu verdichten, die sich voneinander klar abgrenzen und die konsistent, also möglich sind (nicht zu verwechseln damit, ob diese wahrscheinlich sind, da sich die Eintritts-Wahrscheinlichkeit im Laufe des Betrachtungszeitraums ändern kann).

3 Übersicht über die vier 
VDI-Szenarien:

• Szenario 1: Der integrierte digitale Innovationsraum ist in Deutschland wahr geworden: Autonome KI-Agenten treiben die Produktentwicklung voran.

Der Produktentwicklungsprozess wird dabei größtenteils autonom von KI-Systemen durchgeführt, Änderungen werden on-demand umgesetzt. KI-assistierte Produktentwicklung ist akzeptiert und nicht mehr wegzudenken. Die Effizienzgewinne, sobald die Daten einmal qualifiziert und kuratiert sind, sind immens.

• Szenario 2: Fragmentierte Digitalisierung unter Dauerregulierung: Mit angezogener Handbremse versuchen, das Rennen zu gewinnen.

Immer wieder erfordern Lizenzfragen und die Datenschutzerfordernisse der unterschiedlichen Rechtssysteme getrennte technische Lösungen mit teils erheblichen manuellen Eingriffen (Daten händisch exportieren, prüfen, neu formatieren, wieder importierten), um dennoch durchgängig digital arbeiten zu können. Unternehmen betreiben deshalb ein Sammelsurium aus Einzelwerkzeugen, die zwar alle als Tool nützlich, aber in der Verkettung nicht effizient sind.

• Szenario 3: Hohes Technologiepotenzial – institutionell blockiert: Die Wirtschaft schrumpft.

KI-Systeme stehen zur Verfügung, kommen aber aus rechtlichen Gründen vorwiegend bei den Tochterunternehmen oder Zulieferern im Ausland zum Einsatz. Im Inland gibt es viele Barrieren, die die Nutzung behindern oder ganz verbieten. Energiefragen, Patente, Fragen der Verantwortlichkeiten, Vorbehalte der Mitarbeitenden und der Kunden, Cyberangriffe und vieles mehr haben dazu geführt, Investitionen und Entwicklungskapazitäten ins Ausland zu verlagern.

• Szenario 4: Selektive Exzellenz in einer heterogenen Realität: Unternehmen zwischen High-Tech und Handarbeit.

Im Produktentwicklungsprozess wurde in den letzten Jahren vieles neu gedacht, digitalisiert und mutig umgesetzt. Auf der technischen Seite wurden gute Datenmodelle aufgebaut; aber sobald personenbezogene Daten berührt werden, dürfen sie meist nur in dem Land verwendet werden, in dem das Produkt oder Teile davon entwickelt oder angeboten werden. Um nicht mit gesetzlichen Auflagen in den verschiedenen Rechtsräumen zu kollidieren, sind deshalb „kreative Umgehungs­lösungen“ nötig, die jedoch durch diese Varianz die möglichen Stückzahlen und damit die Gewinne reduzieren.

Ob die in den Szenarien beschriebenen Entwicklungen genauso eintreffen werden, lässt sich nicht mit Sicherheit sagen. Basis sind die Annahmen von Expertinnen und Experten, methodisch entstanden aus deren Erfahrungen und Fachwissen.

Die beschriebenen vier Zukünfte sind aber konsistent – also widerspruchsfrei –, sinnvoll und somit möglich. Sie sind die bisher beste Sicht auf die Zukunft der Produktentwicklung, die uns bekannt ist. Erste Vorträge und die Diskussionen zeigen, dass der Bedarf nach Orientierung für die Unternehmen in Deutschland in Zeiten des Umbruchs riesig ist.

Was tatsächlich eintrifft, hängt nicht zuletzt von den kommenden politischen und wirtschaftlichen Bedingungen ab; welches Szenario in den nächsten Jahren an Kraft gewinnt und deshalb wahrscheinlicher wird, kann sich durch einzelne politische oder gesellschaftliche Entwicklungen schnell verändern. Die in den vier Szenarien entwickelten möglichen Zukünfte können helfen, bereits heute ­eine Einschätzung des Potenzials der kommenden Chancen und Risiken vorzunehmen – und sich auf den kritischsten Fall vorzubereiten.

4 Szenario-Transfer

Die Nutzung der Szenarien in Industrie und Ausbildung erfordert eine individuelle Übersetzung in den jeweiligen Anwendungskontext. Um den Transfer zu unterstützen, wird nachfolgend eine Übersicht mit Empfehlungen und Maßnahmen vorgestellt, um bereits heute fundierte Entscheidungen zur strategischen Ausrichtung des Unternehmens und den weiteren Weg in die Digitalisierung zu treffen.

Mögliche Maßnahmen 
aus den jeweiligen Szenarien:

Zu Szenario 1: (Der integrierte digitale Innovationsraum ist in Deutschland wahr geworden – autonome KI-Agenten treiben die Produktentwicklung voran):

• KI-Organisation und Kontrollfunktionen etablieren (Expertinnen und Experten im Loop, klare Verantwortlichkeiten, menschliche Kontrolle).
• Durchgängigkeit der Daten – von der Idee bis zur Fertigung – und Datenkompatibilität schaffen.
• Investitionen in agentenfähige Simulationsarchitekturen priorisieren.
• Pilotprojekte mit Hochschulen, Dienstleistern und Zulieferern aufsetzen und durchführen.

Zu Szenario 2: (Fragmentierte Digitalisierung unter Dauerregulierung – mit angezogener Handbremse versuchen, das Rennen zu gewinnen):

• Digitalisierung auf klar messbare Ziele beschränken (z. B. 30 % schnelleres Prototyping oder 20 % weniger Ausschuss).
• KI nur in abgegrenzten Bereichen ­einsetzen (z. B. Design, Simulation, Materialprüfungen …).
• Datenqualität priorisieren: Qualifizierte und gepflegte Daten erzeugen und nutzen sowie interne Standards setzen.

Zu Szenario 3: (Hohes Technologiepotenzial – institutionell blockiert – die Wirtschaft schrumpft):

• Fokus auf KI-gestützte Datenauswertung zur Entscheidungsfindung richten (nicht auf KI-Autonomie).
• Rechts-, Haftungs- und Datenschutz­risiken konsequent analysieren.
• Interne „Safe Zones“ für KI-Tests ­schaffen (geschlossen, auditierbar, ­reversibel).
• Mitarbeitende einbeziehen und schulen, um Zugang zur KI zu schaffen und Vorbehalte abzubauen.

Zu Szenario 4: (Selektive Exzellenz in einer heterogenen Realität – Unternehmen zwischen High-Tech und Handarbeit):

• KI-fähige Dateninseln aufbauen, die qualifiziert und versioniert sind.
• Kritische Kernprozesse digitalisieren, aber nicht alles zugleich.
• Rapid-Prototyping als verbindendes Element zwischen digital und analog etablieren.
• Kooperationen mit Dienstleistern, 
Zulieferern und Hochschulen selektiv wählen und absichern.

5 Die unternehmerische Verantwortung

Wie aus allen Szenarien klar hervorgeht, ist Digitalisierung in der Produktentwicklung und im Projektmanagement zentraler Erfolgsfaktor für die Zukunft. Unternehmen sollten die eigene Position zu diesem Erfolgsfaktor kritisch hinterfragen und sich gegebenenfalls strategisch neu ausrichten. Die erforderlichen Rahmenbedingungen für die Digitalisierung müssen heute geschaffen werden.

Dabei ist es sinnvoll, die entwickelten Szenarien jährlich oder bei besonderen Ereignissen – insbesondere falls Schlüsselfaktoren betroffen sind – überprüft und gegebenenfalls angepasst werden. In diesem Sinne gilt das Mark Twain zugeschriebene Zitat: „Continuous improvement is better than delayed perfection.“ („Kontinuierliche Verbesserung ist besser als verzögerte Perfektion.“)

6 Übergeordnete Empfehlungen für Industrie und Ausbildung:

• Datenqualität erhöhen und sicherstellen.
• IT-Strukturen für KI aufbauen, erste KI-Tools installieren.
• Menschen in den Mittelpunkt stellen: Fachkräfte qualifizieren (statt ersetzen), Ängste nehmen, Überforderung vermeiden.
• Aufbau von Prozessen, um das Design, die Entwicklung, Simulation, das Rapid Prototyping, die Fertigung, Marketing und Vertrieb sowie das Monitoring von Entscheidungen miteinander zu verbinden.

Danksagung:
Die Autoren danken den Mitgliedern des Fachausschusses für ihre fachliche Unterstützung und ihre Beiträge, die als Grundlage für diesen Fachartikel dienten.
www.vdi.de/produktentwicklung

Autoren:
Prof. (i.R.) Dr.-Ing. Christian Weber
Univ.-Prof. Dr. Stephan Husung
Fakultät für Maschinenbau, TU Ilmenau
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Frank Mantwill
Dr.-Ing. Niels Demke
Fakultät für Maschinenbau Helmut-Schmidt-Universität
Dipl.-Designer Andreas Enslin
Partner und Geschäftsführer der LösungsNetz GmbH
Dipl.-Math. Detlev Kobus
Oswald Mobile GmbH
Kontakt: Christian Weber