Testen und Prüfen wie da Vinci

"Ewige Weisheiten" und neue Technologien revolutionieren das Testen und Prüfen – und bringen uns schneller von der Vision zum fertigen Produkt.

Sehen Sie das Testen und Prüfen eines Produktes als notwendiges Übel an? Dann sollten Sie sich Zeit für einen Sinneswandel nehmen. Denn im langen Prozess von der Vision bis zur Realität eines Produktes ist intelligentes und effizientes Testing unerlässlich. Modernste messtechnische Instrumente helfen, ein Produkt schon zu entwickeln, wenn es erst in unseren Köpfen besteht.

Dabei unterstützen uns neueste Technologietrends, ebenso wie ein paar "ewige Weisheiten", bei denen wir uns getrost auf keinen Geringeren als Leonardo da Vinci berufen können.

Die Renaissance war eine aufsehenerregende Zeit, in der alles Denken der Welt auf den Kopf gestellt wurde. Nie gestellte Fragen wurden erstmals untersucht und sowohl die kulturelle als auch die wirtschaftliche und technologische Entwicklung erfuhren eine nie zuvor gekannte Beschleunigung.

Unter den vielen Leitfiguren der Renaissance nimmt das Universalgenie Leonardo da Vinci eine ganz besondere Rolle ein. Wie kaum jemand vor ihm (und auch nur wenige nach ihm) schaffte er es, die Schönheit und Eleganz der Kunst mit technologischem Fortschritt und Erfindergeist zu kombinieren.

Oder wussten Sie, dass zahlreiche Produkte der Neuzeit, wie zum Beispiel der Hubschrauber oder der Fallschirm, von da Vinci bereits erdacht wurden? Schauen wir uns die großen gesellschaftlichen und technologischen Umbrüche unserer heutigen Zeit an, können wir uns manchmal dem großen Erfinder ganz nahe fühlen. Auch heute will die Welt neu gedacht werden, und neue Lösungen für die großen Fragen der Menschheit müssen zunehmend mithilfe von Technologien gefunden werden.

Und so lohnt ein Blick zurück auf die großen Würfe und Ideen, die uns ein da Vinci schon vor vielen hundert Jahren aufgezeigt hat. Denn neben vielen nicht zu seinen Lebzeiten realisierten Ideen konnte er schon eine Reihe von Erfindungen selbst in Betrieb nehmen – und echten Fortschritt realisieren.

Dabei ging er nach einigen grundlegenden Prinzipien vor, in deren Mittelpunkt ein systematisches Testen und Überprüfen der eigenen Ansichten und Entwürfe stand. Ideen, die uns heute in realen Tests und Prüfprojekten weiterhelfen.

Wie entwickelt sich ein Produkt von der ersten Vision und Idee, bis hin zu seiner Umsetzung? Millionen von Ingenieuren stellen sich Tag für Tag diese Frage. Denn der Erfolg von Technologieunternehmen basiert heute so stark wie nie auf technologischer Innovation. Nur durch neue Produkte mit hohem Nutzwert sind wir in der Lage, steigende Kundenbedürfnisse sowie gesellschaftliche und politische Rahmenbedingungen zu erfüllen.

Diese Erkenntnis mag hochaktuell erscheinen, ist in Wirklichkeit jedoch nicht neu. Visionäre der technologischen Entwicklung haben die Praxis schon immer der Theorie vorgezogen – und damit Großes vollbracht.

Standardansatz mit drei verschiedenen Erfassungssystemen (oben) und (unten) Prüfkonzept von HBM mit einem integrierten System (unten).

Hier die fünf Regeln von Leonardo da Vinci für das Testen und Prüfen:

1. Stellen Sie einfache Fragen und bleiben Sie neugierig.

Leonardo hat sich nie mit dem Offensichtlichen zufrieden gegeben. Er ging mit offenen Augen durch seine Welt und stellte ganz einfache Fragen wie: "Warum können Vögel fliegen?" Beginnen wir bei unseren eigenen Entwicklungsprojekten wieder mit den einfachsten Fragen, denn diese sind oft am schwierigsten zu beantworten. Um wirklichen Fortschritt zu erzielen, ist es oft hilfreich, anstatt alte Produkte zu überdenken, Fragen zu stellen, die etwas grundlegend Neues schaffen.

2. Beschreiben Sie die Dinge, wie sie sind.

Leonardo da Vinci war ein Künstler, und dies im sehr beschreibenden, sehr genau beobachtenden Sinne: Er versuchte, die Welt so zu sehen, wie sie ist. Bei jedem Testprojekt sollten wir uns diese Unvoreingenommenheit bewahren und die Dinge beschreiben, wie sie sind, anstatt  von unseren Wünschen und Zielsetzungen auszugehen. In jedem Test, den wir heute durchführen, treffen wir allein durch die Auswahl der passenden Berechnungsfilter bereits wichtige Vorannahmen. Dies sollten wir so gründlich wie möglich tun, um später nicht von unseren eigenen Ideen, sondern von der Realität geleitet zu werden.

3. Messen Sie Ihre Arbeit

Da Vinci's Empfehlung: "Bevor ich mit meiner Arbeit beginne, führe ich Experimente durch. Ich möchte durch Erfahrung lernen." Leonardo war ein Feind der Spekulation. Tests und Prüfungen geben Sicherheit.

4. Bieten Sie Ihren Endkunden Unterstützung.

So klein unsere Tests auch sein mögen, so unbedeutend vielleicht die an einer Komponente durchgeführte Arbeit, am Ende steht doch ein Endprodukt, das unsere Kunden begeistern soll. Leonardo da Vinci bot seinen Kunden gerne Unterstützung. Er konstruierte zum Beispiel ausgefallene Brunnenanlagen. Technologische Meisterwerke – aber letztendlich dienten diese Erfindungen dem Zweck, seine damaligen Kunden zu unterstützen. Eine hochwertige Nutzererfahrung, ein einfacher Umgang mit dem Produkt – auch hier können Sie nur mit den passenden Tests und Prüfungen die richtigen Erfolge verbuchen.

5. Seien Sie dynamisch.

Für da Vinci war die Welt ein dynamisches System. Er liebte Kräfte, die alles in Bewegung halten. Und was würde er von unserer heutigen, hoch-dynamischen Welt halten? Wir leben in komplexen Systemen, wir sind mobil und immer in Bewegung.

Und auch in unseren Tests bewegen wir uns immer stärker von statischen Analysen hin zu dynamischen Tests, die uns Daten von ungeheurer Aussagekraft über ein Produkt im Einsatz liefern. Mit den heutigen Mitteln und Werkzeugen ist jeder Ingenieur weltweit in der Lage, ein neuer da Vinci zu werden – und seinen Teil zum technologischen Fortschritt beizutragen.

Die großen Trends des Testings heute

Die Herausforderungen beim Testing, von der ersten Idee bis zum fertigen Produkt, werden immer vielschichtiger. Betrachten wir den Elektromotor. Wer bei den Elektrofahrzeugen des neuen Jahrhunderts mithalten möchte, muss seinen Kunden maximalen Komfort mit maximaler Reichweite liefern. Neben Verbesserungen an Batterien liegt eines der Erfolgsrezepte in der Steigerung des Wirkungsgrads von Inverter und Motor. Nur, wer diese einzelnen Komponenten zuverlässig testen kann, wird je beim Gesamtergebnis „Elektroauto“ ein erfolgreiches Produkt am Markt platzieren können.

Oder das Beispiel Leichtbau. In immer mehr Produkten kommen neue, sehr viel leichtere Materialien aus Faserverbundwerkstoffen zum Einsatz. Ingenieure von heute haben nahezu unbegrenzte Möglichkeiten, mit diesen Werkstoffen zu arbeiten. Wie verhalten sich diese Materialien aber in der Realität? Wieviel halten sie aus? Wie müssen sie ausgelegt sein, um erfolgreiche Produkte – vom Auto und Flugzeug bis hin zu Konsumgütern – zu produzieren?

Wie sieht es mit der Medizintechnik aus? Immer mehr Produkte kommen im menschlichen Körper zum Einsatz. Unser Körper ist ein komplexes System, das empfindlich auf Einflüsse von außen oder gar Implantate reagiert. In modernen Prüfständen wird versucht, diese Komplexität immer besser nachzubilden, um möglichst passende Endprodukte für die Medizin zu liefern. Ohne hochwertige Sensorik, aber vor allem intelligente Datenerfassungs- und Softwaresysteme ist dies nicht möglich.

Live-Visualisierung der Leistung und zeitgleiche, kontinuierliche Speicherung mit GEN3i.

Auch hier gilt: Nur, wer Komponenten gut testen kann, ist Meister seines Fachs. So verwundert es nicht, dass die richtige Auswahl der Messtechnik - und hier sprechen wir von Sensoren, Datenerfassungssystemen und der passenden Software - zu einem grundlegenden Entscheidungsfaktor für den Erfolg eines Produktes am Markt wird. Nur, wo sich die Instrumente perfekt in den Entwicklungszyklus integrieren, ist Erfolg möglich.

Deshalb ist auch die Messtechnik im Wandel der Zeit und muss komplett neue Lösungen bieten, da herkömmliche messtechnische Lösungen häufig nicht weiterführen.

Betrachten wir zum Beispiel das Testen von Elektromotoren. Bislang wurde der Wirkungsgrad elektrischer Maschinen mithilfe von Leistungsanalysatoren und Oszilloskopen berechnet - ein Verfahren, das lange "gut genug" war, aber heute angesichts der gewaltigen technologischen Herausforderungen nicht mehr praktikabel ist.

So werden z. B. mechanische und elektrische Daten getrennt erhoben und können nicht synchronisiert werden. Um auch das letzte Quäntchen Effizienz aus den Elektromotoren zu pressen, benötigen Anwender in den Prüfständen einen tatsächlichen Blick auf die Realität (um bei einer Regel von Leonardo da Vinci zu bleiben!). Und den bietet nur der Zugriff auf Rohdaten im Messsystem, was mit Leistungsanalysatoren in Verbindung mit Oszilloskopen nicht der Fall ist. Aus diesem Grund ist eine fortschrittlichere Lösung gefragt, mit der alle Daten synchron erfasst werden, bei vollem Zugriff auf die Rohdaten.

Ganz allgemein sehen wir derzeit drei große Trends beim Testen von Produkten, auf deren Weg von der Vision zur Realität.

Synchrones, dynamisches und kontinuierliches Erfassen mechanischer und elektrischer Signal sowie Live-Datenanalyse mit der HBM-Lösung für eDrive-Testing, dem Drehmomentaufnehmer T12, dem Datenerfassungssystem GEN3i und dem Temperaturmodul QuantumX 1609B

1. Testen wird (teilweise) virtuell.

Gerade in der sehr frühen Phase der Produktentwicklung, wo Ideen noch gesammelt und bewertet werden müssen, ist guter Rat oft teuer. Und häufig lohnt es sich noch nicht, lange Testreihen durchzuführen.

Virtuelle Ermüdungs- und Belastungstests bilden hier eine spannende Alternative. Dort können mit der richtigen Software bereits erste Tests basierend auf CAE-Daten durchgeführt werden – und ein Produkt noch schneller von der (virtuellen) Version in die (physikalische) Realität geführt werden.

Da Vinci hat die kühnsten Ideen seiner Zeit mit Papier und Stift in unsere Köpfe und Vorstellungswelten gezaubert. Was würde er wohl heute zu den Möglichkeiten des Computer- und Internetzeitalters sagen? Vielleicht, so vermuten wir, würde er in seiner Entwicklung heute auch auf virtuelle Tests setzen. Denn dies ist ein weiterer Baustein für mehr Innovation in der Produktentwicklung.

2. Testen wird so flexibel wie die Produktentwicklung.

Flexibilität und Schnelligkeit werden beim Testen immer wichtiger. Teure Prüfstände wollen gut ausgelastet sein. Immer mehr Messungen werden zeitgleich oder in extrem engen Takten durchgeführt. Hier braucht es ein Messdatenerfassungssystem, das so flexibel ist wie die Tests selbst.

3. Testen findet nicht mehr nur im Prüfstand statt.

Messungen im Prüfstand sind ein wesentlicher Baustein für die Produktentwicklung. Doch dies ist nicht alles. Und, um wieder im Geiste Leonardo da Vincis zu leben: Um wahre Serienreife und Größe zu entwickeln, müssen wir auch in der Realität testen.

Ein Prüfstand beinhaltet immer bestimmte Annahmen über die Realität oder den Einsatz eines Produktes. Diese Annahmen treffen wir nach bestem Wissen und Gewissen – und doch können die wirklichen Einsatzbedingungen, die über Erfolg oder Misserfolg eines Produktes entscheiden, ganz anders gelagert sein.

Und genau deshalb werden Tests am realen Objekt, im realen Einsatz zu einem immer wichtigeren Bestandteil der Entwicklungsarbeit. Neue, mobile Messverstärkersysteme sind die Antwort auf diese Forderung. Sie sorgen für Präzision im mobilen Einsatz, sind kompakt und ultra-robust. Zudem lassen sich diese Systeme sehr einfach mit leistungsstarker Software steuern und parametrieren.

Manche Unternehmen gehen deshalb mittlerweile so weit, dass sie mobile Messverstärker und Sensoren in tatsächlich von Kunden genutzten Fahrzeugen (z. B. Bagger) einbauen. Damit erhalten sie kontinuierlich Daten über die tatsächlichen Einsatzbedingungen ihrer Fahrzeuge – die zum Teil im scharfen Kontrast zu ihren Prüfstandsannahmen stehen.
Durch dieses „Einkoppeln“ der Realität in ihre Messungen lässt sich die nächste Generation von Fahrzeugen und Produkten sehr viel besser planen – und somit die neuen Produkte viel besser an die tatsächlichen Anforderungen der Nutzer anpassen. Dies wäre wiederum ein Schritt, aus Visionen Realität zu machen – und die eigenen Erfindungen Stück für Stück zu verbessern.

Das Beobachten der Realität ist dabei nicht nur bei „mobilen“ Produkten wie Autos, Baufahrzeugen, Flugzeugen oder der Eisenbahn von Belang. Auch bei bestehenden Infrastrukturobjekten wie zum Beispiel Brücken oder Pipelines gilt mittlerweile der Grundsatz: Messen statt Spekulieren. Moderne Structural-Health-Monitoring-Systeme basierend auf der Faser-Bragg-Technologie sind die passende Antwort auf diese Frage.
Von virtuellen Tests über clevere Komponentenprüfungen im Prüfstand mit Hilfe modernster Datenerfassungssysteme, bis hin zu Einsatztests im tatsächlichen Betrieb: Produkte werden immer komplexer und die technologischen Herausforderungen sind weitreichend. Die modernen Instrumente der Messtechnik helfen, immer bessere Produkte immer schneller an den Markt zu bringen.

Und sie sorgen für echten Fortschritt. Ist es verwunderlich, dass Leonardo da Vincis futuristische Erfindungen erst in unserem Zeitalter Realität wurden? Keineswegs. Wir verfügen über die Mittel und Wege, unsere Produkte zum Erfolg zu führen. Und wir haben Tests, die uns Sicherheit geben.

Erstveröffentlichung in NASA Tech Briefs, www.techbriefs.com.

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