DigiTain - Digitalization for Sustainability: Prozesse, Methoden und Modelle zur volldigitalen Produktentwicklung nachhaltiger Elektroantriebsarchitekturen im Rahmen des Konjunkturpakets, Ziffer 35c im Modul b "Neue, innovative Produkte als Schlüssel für Fahrzeuge und Mobilität der Zukunft"

Abstract

Dieser Schlussbericht aus dem Projekt DigiTain legt dar, wie nachhaltige Fahrzeugentwicklung durch Digitalisierung, simulationsbasierte Validierung und neue Bewertungsansätze systematisch unterstützt werden kann. Im Mittelpunkt steht die Frage, wie ökologische Zielgrößen, technische Leistungsfähigkeit, regulatorische Anforderungen und wirtschaftliche Umsetzbarkeit frühzeitig zusammengeführt werden können. Damit adressiert DigiTain eine zentrale Herausforderung moderner Fahrzeugentwicklung: Entscheidungen müssen zunehmend auf Basis vernetzter Daten, belastbarer Modelle und nachvollziehbarer Nachhaltigkeitsbewertungen getroffen werden. Kapitel 2 legt hierfür die methodische Grundlage aus Sicht der Nachhaltigkeit. Zunächst werden der Status quo der Nachhaltigkeitsbewertung und Digitalisierung sowie zentrale Herausforderungen in der nachhaltigen Fahrzeugentwicklung eingeordnet. Darauf aufbauend werden digitale und nachhaltigkeitsbezogene Trends der Produktentwicklung analysiert. Ein Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung eines nachhaltigkeitsorientierten Entwicklungsprozesses, der Ingenieuraufgaben, Ecodesign-Aufgaben, Stage-Gate-Logiken und digitale Reifegrade miteinander verbindet. Ergänzend zeigt eine Fallstudie zu einem kreislauffähigen Batteriegehäuse aus faserverstärktem Kunststoff, wie dieser Prozess praktisch angewendet werden kann. Weitere Abschnitte behandeln digitale Produktpässe, PLM- und LCA-Integration, frühe Umweltbewertung, zertifizierbare digitale Ökobilanzen sowie Ökobilanzstudien zentraler Komponenten. Kapitel 3 widmet sich den digitalen Methoden und Modellen, die eine durchgängige virtuelle Entwicklung und Validierung ermöglichen. Zunächst werden Prozessmodellierung, konsistentes Datenmanagement und MBSE-basierte Prozessnetzwerke betrachtet. Dabei geht es insbesondere um die strukturierte Verknüpfung von Prozessen, Datenobjekten, Metadaten und PDM-Systemen. Anschließend werden verbesserte numerische Methoden vorgestellt, darunter höherwertige 3D-Schalenelemente, modifizierte Tetraederelemente und isogeometrische Analyse. Diese Methoden dienen dazu, komplexe Strukturen, Kontakte, Materialien und Crashlastfälle effizienter und genauer abzubilden. Ergänzend werden ML-gestützte Materialcharakterisierung, Deep Material Networks, Batteriezellmodelle, Unsicherheitsquantifizierung, effiziente Validierungsmethoden und datengetriebene Modellordnungsreduktion behandelt. Kapitel 4 betrachtet die Homologation als Schnittstelle zwischen technischer Entwicklung, Nachweisführung und regulatorischer Akzeptanz. Es erläutert das Typgenehmigungsverfahren in der UNECE und der EU sowie aktuelle Möglichkeiten virtueller Prüfungen. Darauf aufbauend wird der Ansatz der "New Assessment Test Methods" eingeordnet. Besondere Bedeutung erhält die Frage, unter welchen Bedingungen Simulationen als glaubwürdige Nachweise eingesetzt werden können. Hierfür werden Lösungsverifikation, Lösungsvalidierung, Prognosegüte, Glaubwürdigkeitsbewertung sowie System- und Produktaudits betrachtet. Das Kapitel zeigt damit Wege auf, wie virtuelle Prüfungen und hybride Homologationsansätze künftig stärker in Genehmigungsprozesse integriert werden können. Kapitel 5 überführt die entwickelten Methoden auf die Fahrzeugebene. Im Mittelpunkt steht ein Technologiedemonstrator, an dem Fahrzeugdesign, Betriebsstrategie, Thermalsystem, Strukturberechnung und Nachhaltigkeitsbewertung zusammengeführt werden. Darüber hinaus werden zentrale Fahrzeugsysteme detailliert betrachtet. Dazu gehören das Brennstoffzellensystem, das Wasserstofftanksystem, der Hochvoltspeicher und der elektrische Antrieb. Für diese Systeme werden Anforderungen, Auslegung, Simulation, physische Realisierung, Validierung und Innovationsbewertung behandelt. Die digitalen Varianten „nachhaltig“ und „effizient“ ermöglichen zudem einen Vergleich unterschiedlicher Zielsetzungen und zeigen technische, ökologische und funktionale Zielkonflikte auf. Kapitel 6 adressiert den Wissenstransfer und die Wissensverbreitung. Damit wird dargestellt, wie die im Projekt erarbeiteten Methoden, Modelle und Erkenntnisse für Forschung, Industrie und regulatorische Anwendung nutzbar gemacht werden können. Kapitel 7 fasst die wesentlichen Ergebnisse zusammen und ordnet den Beitrag der Arbeit ein.