Digital Thread: Rückgrat der durchgängigen Produktentwicklung

Der digitale Faden verbindet die Elemente eines Produktes über seinen gesamten Lebenszyklus hinweg. Ohne diesen Digital Thread ist keine echte Product Velocity möglich. Doch was genau ist das eigentlich? Qiang Zhang und seine Kollegen haben sich dieser Frage systematisch gewidmet und eine umfassende Literaturrecherche durchgeführt. Für Leser besonders Interessant: Die Beziehung zu MBSE, PLM und dem Digitalen Zwilling.

Das Paper

Das Paper mit dem Titel A Literature Review of the Digital Thread: Definition, Key Technologies, and Applications wurde 2024 von Qiang Zhang, Jihong Liu und Xu Chen an der Beihang University veröffentlicht und erschien im Journal Systems (Vol. 12, Ausgabe 3). Es basiert auf der Analyse von 94 wissenschaftlichen Artikeln zwischen 2015 und 2023 und bietet eine umfassende Sicht auf Definition, Kerntechnologien und Anwendungen des Digital Thread.

Was ist der Digital Thread?

Der Begriff wurde 2013 durch die United States Air Force geprägt. Die ursprüngliche Idee war, einen durchgängigen digitaler Datenfluss vom fertigen Bauteil bis zum Modell zu ermöglichen. Dabei lag der Schwerpunkt bei der Herstellung. Zum Beispiel sollten 3D-CAD-Daten direkt in die CNC-Maschinen fließen und so eine lückenlose Rückverfolgbarkeit ermöglichen. Daraus entwickelte sich ein umfassendes Konzept zur digitalen Integration aller Daten über den gesamten Lebenszyklus eines Systems hinweg.

Definition: Der Digital Thread ist ein durchgängiger, digitaler Informationsfluss, der alle relevanten Daten, Modelle und Entscheidungen über den gesamten Lebenszyklus eines Produkts hinweg verbindet, rückverfolgbar macht und in Echtzeit verfügbar hält.

Trotz unterschiedlicher Formulierungen in der Literatur lassen sich drei zentrale Aspekte identifizieren (in Klammern der ursprüngliche Begriff aus dem Paper):

• Authoritative Daten (authoritative data): Gemeint ist eine verlässliche, konsistente und anerkannte Datenquelle, die als maßgebliche Referenz für alle Entscheidungen im Produktlebenszyklus dient. Diese Datenquelle muss aktuell, vollständig und widerspruchsfrei sein. Sie ersetzt fragmentierte Einzeldaten und ermöglicht einheitliches Arbeiten über Disziplinen und Systeme hinweg.
• Datenverknüpfung (Data Linkage): Die Fähigkeit, Daten über System-, Prozess- und Lebenszyklusphasen hinweg miteinander zu verbinden. Nur durch saubere Traceability wird die Konsistenz von Anforderungen, Modellen, Tests und Betriebsdaten gewährleistet. Data Linkage ist damit Voraussetzung für Nachverfolgbarkeit, Änderungsmanagement und Compliance.
• Modellintegration (Model Integration): Die technische und semantische Verknüpfung unterschiedlichster Modelle und Werkzeuge aus Disziplinen wie Systems Engineering, Mechanik, Elektronik, Software, Simulation und Fertigung. Ziel ist eine Durchgängigkeit, die Informationsbrüche vermeidet und eine ganzheitliche Sicht auf das System erlaubt.

Der Digital Thread stellt also sicher, dass es für jede Information eine „Single Source of Truth“ gibt. Es ist also eher ein digitales Rückgrat als ein Faden, dass sämtliche Modelle, Informationen und Entscheidungen zusammenhält.

Der Digital Thread ist keine 10 Jahre alt

Im Jahr 2017 gab es lediglich 17 wissenschaftliche Arbeiten zum digitalen Faden. 2018 explodierte die Zahl beinahe auf 90, und in den Folgejahren wuchs das Interesse exponentiell weiter. 2022 gab es bereits über 250 Veröffentlichungen. Der Fokus der Forschung lag dabei stark auf der Anwendung in der Fertigung. Die Produktentwicklung, aber auch Betrieb oder Logistik, sind unterrepräsentiert.

Beziehung zum Digital Twin

Häufig wird der Digital Thread mit dem Konzept des Digital Twin verwechselt oder vermischt. Die Beziehung ist folgendermaßen: Der Digital Thread ist das Fundament, auf dem Digital Twins aufbauen. Er stellt die bidirektionale Verbindung zwischen physischem System und digitalem Zwilling sicher, ermöglicht konsistente Updates, erlaubt Rückverfolgbarkeit und sorgt für eine einheitliche Sicht auf Produkt und Prozess.

Beziehung zu MBSE

MBSE dient oft als Einstiegspunkt für den digitalen Faden. Während MBSE meist in der frühen Phase der Systementwicklung greift, verbindet der Digital Thread diese Modelle mit späteren Phasen wie Fertigung, Betrieb und Wartung. MBSE liefert die Sprache (z. B. SysML), der digitale Faden sorgt für die Nutzung, Pflege und Integration der Modelle über den Lebenszyklus hinweg

Der Digital Thread ist eigentlich die logische Umsetzung vom SYSMOD Intensity Model: Auf der untersten Stufe sind die Modelle lediglich Kommunikatonswerkzeuge, am Ende stellen sie eine lebende Spezifikation dar. Ziel ist die Transformation vom dokumentenzentrierten zum modellbasierten und letztlich zum datengetriebenen Engineering.

Beziehung zu PLM

Product Lifecycle Management (PLM) ist in vielen Unternehmen etabliert, konzentriert sich jedoch meist auf Produktionsdaten. Der digitale Faden erweitert PLM um die Fähigkeit zur durchgängigen Verbindung und Nutzung heterogener Datenquellen über den gesamten Lebenszyklus hinweg. Moderne PLM-Systeme wie Siemens Teamcenter setzen den Begriff des Digital Thread bewusst ein, um die Durchgängigkeit zu suggerieren.

Anwendung

Zumindest den Begriff des Digital Thread finden wir im Moment primär im der Produktion, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt. Auch für die Durchgängigkeit beim 3D-Druck (additiven Fertigung) finden wir den Begriff, wo sich der Faden von der Bauteilgeometrie über Maschinendaten bis hin zu In-situ-Sensorik zieht. Ziel ist ein transparenter, rückverfolgbarer und qualitätsgesicherter Fertigungsprozess.

Die Autoren nennen konkrete Firmen wie Lockheed Martin, Airbus oder Boeing, die den Digital Thread zur Optimierung von Montageprozessen, zur Rückverfolgbarkeit und für Predictive Maintenance bereits nutzen. Auch kleine Unternehmen implementieren Teile des digitalen Faden mithilfe kostengünstiger Werkzeuge wie Modelica oder Node-RED. Dabei nutzen Firmen gerne die OPC Unified Architecture (UA).

Umsetzung

Die Einführung eines Digital Thread erfordert ein Umdenken und geht weit über eine Werkzeugeinführung hinaus. Teams müssen gezielt Kompetenzen aufbauen und aufpassen, dass der digitale Faden kein Selbstzweck wird. Dazu gehört zum Beispiel auch, dass das Unternehmen ein Verständnis für MBSE hat und Modellierung bereits erfolgreich einsetzt.

Ein erfolgreicher Einsatz erfordert interdisziplinäres Denken, technische Expertise und organisatorischen Wandel. Nur so lässt sich das Potenzial des Digital Thread in Bezug auf Qualität, Geschwindigkeit und Innovationsfähigkeit realisieren..

Fazit

Der Digital Thread ist ein relativ junges Konzept, das für die Transformation der digitalen Produktentwicklung und -fertigung eine große Rolle spielt. Ich persönlich sehe ihn als einen wichtigen Teil von Product Velocity, einem Thema, zu dem ich an einem Buch arbeite.