Simulation in der Entwicklung Warum Model-Based Design auch für den Mittelstand kein Luxus mehr ist

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Frühe Validierung, weniger Prototypen, bessere Nachverfolgbarkeit von Spezifikationen und neue Anforderungen durch Cyber Resilience Act und Maschinenverordnung: Model-Based Design entwickelt sich zunehmend zu einer relevanten Methodik für den industriellen Mittelstand.

Design for Manufacturing und Design for Testing werden immer wichtigere Entwicklungsprinzipien, um sicherzustellen, dass ein Produkt nicht nur funktional entwickelt wird, sondern sich auch stabil, wirtschaftlich und reproduzierbar fertigen sowie zuverlässig prüfen lässt. Während DfM hilft, Fertigungsrisiken wie enge Toleranzen, instabile Prozessfenster oder montagekritische Konstruktionen frühzeitig zu vermeiden, stellt DfT sicher, dass Fehler im Test und im späteren Betrieb überhaupt erkannt und eingegrenzt werden können.

Eine methodische Arbeitsweise, mit der sich Anforderungen von DfM und DfT frühzeitig im Systemkontext abbilden und überprüfen lassen, ist Model-Based Design. Durch die modellbasierte Beschreibung von Mechanik, Elektrik, Software und Regelung können Fertigungsstreuungen, Toleranzen, Signalrauschen oder Test- und Fehlerszenarien bereits in der Entwurfsphase simuliert und bewertet werden.

Welchen konkreten Nutzen Model-Based Design heute für kleine und mittlere Unternehmen bietet, darüber haben wir im Interview mit Rareș Curatu gesprochen. Curatu ist Industrial Automation & Machinery, EMEA Industry Manager bei Mathworks und hat sich im Rahmen der SPS 2025 unseren neugierigen Fragen gestellt. Er erläutert, wo typische Einstiegshürden liegen und warum sich der Aufwand vor allem bei komplexen Maschinen und Anlagen auszahlt. Außerdem spricht er über den notwendigen organisatorischen Wandel, die Bedeutung von Wiederverwendbarkeit und Simulation im mechatronischen Gesamtsystem sowie über den Einfluss neuer regulatorischer Anforderungen und künftiger Entwicklungen wie KI und CI/CD in der industriellen Entwicklung.

ELEKTRONIKPRAXIS: Wo sehen Sie etwa den Nutzen von Model-Based Design für kleine und mittelständische Unternehmen? Gibt es Hürden für den Einstieg?

Rareș Curatu: Wir arbeiten mit vielen Unternehmen zusammen – einige sind sehr groß, andere eher klein. Der deutsche Mittelstand, der im europäischen Vergleich oft sogar relativ groß ist, ist für uns ein bedeutungsvoller Kundenkreis. Gleichzeitig haben wir auch viele kleinere Kunden. Viele dieser Unternehmen haben sehr ähnliche Fragestellungen, unabhängig davon, ob sie groß oder klein sind.

Aus Ihrer Sicht – was sind die wichtigsten Vorteile von Model-Based Design im Entwicklungsprozess?

Model-Based Design hilft Ingenieuren, mehr Vertrauen in ihre Entwicklung zu gewinnen. Und zwar deshalb, weil sehr früh im Entwicklungsprozess validiert werden kann. Je früher simuliert wird, desto früher lassen sich Probleme erkennen. Das reduziert Risiken, denn je früher man Fehler findet, desto weniger Zeit und Aufwand sind später nötig, um diese zu beheben – oder noch schlimmer: nachdem ein Projekt bereits ausgeliefert oder eine Maschine schon in Betrieb genommen wurde.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die sogenannte Design-Space-Exploration. Man kann Varianten sehr gezielt simulieren und bewerten, zum Beispiel bei der Platzierung oder Dimensionierung von Aktoren oder Sensoren. Das reduziert die Anzahl physischer Prototypen und führt früher zu einem besseren Design.

Ein weiterer Punkt, der aktuell zunehmend an Bedeutung gewinnt, ist Machbarkeit und Konformität. Im Hinblick auf den kommenden Cyber Resilience Act und die neue Maschinenverordnung hilft Model-Based Design dabei, Anforderungen mit Implementierung und Tests zu verknüpfen und nachzuverfolgen. Und nicht zuletzt sind Modelle selbst ein wertvolles Asset – für Wiederverwendung und für Zusammenarbeit.

Weil Modelle Informationen erfassen und den Austausch zwischen unterschiedlichen Entwicklungsphasen und Disziplinen erleichtern?

Genau. Wenn Modelle als zentrales Mittel zur Beschreibung des Systems genutzt werden, wird die Kommunikation zwischen Ingenieuren verschiedener Fachbereiche deutlich einfacher – auch wenn diese unterschiedliche Arbeitsweisen oder Erwartungen haben. Und wenn die Daten strukturiert vorliegen, lassen sie sich auch in anderen Projekten wiederverwenden und anpassen.

Viele unserer Kunden entwickeln Maschinen und Anlagen, und gerade bei größeren Fertigungsanlagen ist keine Linie exakt wie die andere. Die Komponenten sind ähnlich, aber anders platziert oder dimensioniert. Diese Unterschiede rechtfertigen die Wiederverwendung des geistigen Eigentums und die anschließende Konfiguration und Validierung für den jeweiligen Kunden.

Sehen Sie heute auch Grenzen von Model-Based Design?

Ja. Eine der größten Einschränkungen ist aus meiner Sicht der notwendige Mindset-Wechsel. Viele klassische Industrieunternehmen sind stark auf Mechanik und Elektrik fokussiert. Software ist zwar in den letzten Jahren deutlich wichtiger geworden, aber nicht alle Organisationen sind auf diese interne Transformation vorbereitet. Dieser kulturelle und methodische Wandel ist oft eine Herausforderung, weil nicht jeder weiß, was ihn erwartet.

Eine weitere Herausforderung ist die Auswahl des richtigen Projekts. Sehr einfache Projekte lassen sich oft auch ohne Simulation umsetzen. In solchen Fällen zeigt Model-Based Design seinen Mehrwert weniger deutlich. Seine Stärke entfaltet der Ansatz vor allem bei komplexeren Projekten. Je höher die Komplexität, desto größer der Nutzen.

Erkennen kleinere Unternehmen selbst, ab welchem Punkt Model-Based Design sinnvoll wird? Oder probieren es manche einfach aus, obwohl sie es vielleicht gar nicht brauchen?

Das hängt weniger von der Unternehmensgröße ab, sondern tatsächlich von der Komplexität des Projekts. Auch kleine Teams mit wenigen Ingenieuren stoßen bei komplexen Produkten sehr schnell an Grenzen und spüren dann den Bedarf an Simulation. Model-Based Design erlaubt es außerdem, sowohl einzelne Komponenten als auch komplette Maschinen oder Anlagen zu simulieren. Viele Kunden kommen zu uns mit dem Wunsch, effizienter zu werden, Fehler zu reduzieren oder die Performance ihrer Maschinen zu verbessern.

Wie ausgereift ist die Methodik heute?

In Bereichen wie Automotive und Luft- und Raumfahrt ist Model-Based Design bereits sehr etabliert. In der industriellen Automatisierung ist das Bild gemischter. Es gibt sehr fortgeschrittene Anwender, aber auch viele Unternehmen, die gerade erst beginnen. Ich habe sehr beeindruckende Anwendungen gesehen – und gleichzeitig führe ich fast täglich Gespräche mit Unternehmen, die erst einmal verstehen wollen, warum sie diesen Ansatz überhaupt brauchen und welchen wirtschaftlichen Nutzen er bringt.

Gibt es Beispiele, bei denen Entwicklung beschleunigt oder Fehler deutlich reduziert wurden?

Ein Beispiel stammt von einem österreichischen Hersteller von Spritzgießmaschinen. Dort konnte mit Model-Based Design die Entwicklungszeit für Qualitätsregelungsalgorithmen deutlich reduziert werden. Simulation hilft, das System besser zu verstehen, und durch Code-Generierung wird eine gemeinsame Quelle für Design und Implementierung genutzt. Das Ergebnis sind schnellere Entwicklungszyklen und robustere Systeme.

Wächst die Zahl belastbarer Referenzprojekte?

Simulation an sich ist nichts Neues. Mechanische, elektrische oder CAD-Simulation gibt es seit vielen Jahren. Neu ist vor allem die zunehmende Verknüpfung dieser Simulationen im mechatronischen Gesamtsystem. Es kommen ständig neue Anwender hinzu, während erfahrene Unternehmen ihre Prozesse weiter professionalisieren und ihre Methodik rund um Model-Based Design ausbauen. Der Markt ist sehr wettbewerbsintensiv, und Model-Based Design hilft, Produktqualität zu sichern.

Welche Bedenken haben Unternehmen am häufigsten?

Eine der ersten Fragen – vor allem vom Management – lautet: Wie sehen wir den Return on Investment? Weitere Fragen sind: Reduziert Model-Based Design wirklich Risiken – oder bringt es neue? Müssen wir komplett neu anfangen? Können wir unser bestehendes geistiges Eigentum weiterverwenden?

Wir empfehlen grundsätzlich einen schrittweisen Einstieg. Ein Risiko besteht darin, Tools einzusetzen, ohne klare Ziele und einen klaren Anwendungsfall zu definieren. Oft sind Unternehmen anfangs sehr begeistert, weil erste Erfolge schnell sichtbar werden. Wichtig ist dabei, zu verstehen, dass Model-Based Design kein Knopfdruck-Werkzeug ist, sondern einen strukturellen Wandel im Entwicklungsprozess erfordert. Der Aufwand wird nach vorn verlagert – in Simulation, Test und Validierung.

Wie sehen Sie die Entwicklung in den nächsten fünf Jahren?

Wichtige Trends sind KI sowie agile Entwicklungsprozesse und CI/CD-Pipelines. Model-Based Design wird zunehmend in moderne Software-Workflows integriert. Wir sehen KI sowohl als Teil des Entwicklungsprozesses, etwa in Form von Copiloten, als auch als Teil der Lösung, zum Beispiel für Reinforcement Learning in Regelungssystemen oder für virtuelle Sensoren.

Model-Based Design ermöglicht es, das Zusammenspiel von Anlage, Regelung und KI im Gesamtsystem zu simulieren und anschließend Code für unterschiedliche Zielplattformen zu generieren – vom Cloud-System bis zum Mikrocontroller.

Wie stehen europäische Unternehmen im internationalen Vergleich da?

Europa ist führend im Bereich industrielle Automatisierung und Maschinenbau. Viele europäische Unternehmen setzen Model-Based Design bereits sehr erfolgreich ein. Der Markt befindet sich jedoch im Wandel. Regulatorische Anforderungen wie der Cyber Resilience Act oder die neue Maschinenverordnung sind zwar herausfordernd, werden aber langfristig helfen, das Qualitätsniveau weiter zu erhöhen.

 (sb)

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