Digitaler Zwilling

Was kann der Digitale Zwilling?

| Autor: Juliana Pfeiffer

Der digitale Zwilling in der Zukunft der Konstruktion
Der digitale Zwilling in der Zukunft der Konstruktion (Bild: ©Tran - stock.adobe.com)

Mit dem Digitalen Zwilling verschmelzen digitale und reale Welt miteinander. Doch was kann der Digitale Zwilling?

Das digitale Abbild der Realität ist nicht erst seit dem Hollywood-Film Avatar ein prägender Begriff in der Industrie. Digitale Zwillinge, die virtuellen Abbilder von Produkten, Dienstleistungen oder Prozessen sind, spielen in mehrfacher Hinsicht eine entscheidende Rolle für die Fabrik der Zukunft. "Sie verändern und beschleunigen den gesamten Engineering-Prozess. Sie dienen auch der Optimierung von Fertigungsabläufen und ermöglichen bereits heute die wirtschaftliche Produktion kleinster Losgrößen bis zur Stückzahl 1", beschreibt Dr. Heiner Lang, Leiter der Business Unit Automation & Electrification Solutions bei Bosch Rexroth, die Vorteile eines digitalen Zwillings.

So eignet sich der Digitale Zwilling perfekt für die Zustandsüberwachung in Echtzeit, eine darauf aufbauende vorausschauende Wartung der Anlagen und auch für Prognosen und Tests, die auf zukünftige Anwendungen abzielen. Diese können risikolos simuliert werden, ohne den operativen Betrieb zu gefährden. "Digitale Zwillinge verändern die Branche radikal. Sie machen den Betrieb effizienter und eröffnen dadurch Wachstumschancen", betont Marc Dietrich, Aviation Program Manager & User Experience Designer bei GE. So wende GE die Digital-Twin-Technologie bereits für 800.000 industrielle Anlagen weltweit an, Tendenz steigend.

Ein digitaler Zwilling wächst heran wie ein Lebewesen

"Der digitale Zwilling ist die realistische Abbildung des Produktes, der Produktion und der Performance. In all diesen Bereichen ist er die die zentrale Informationsquelle für den Konstrukteur und die entscheidende Voraussetzung, um Digitalisierung im Unternehmen erfolgreich umzusetzen und neue Geschäftsfelder zu erschließen", sagt Peter Scheller, Marketing Director NX bei Siemens PLM Software. Damit ein digitaler Zwilling entstehen kann, müssen laut Marc Dietrich Anlagen, Informationstechnologien und operative Prozesse ineinander greifen. "Je mehr Paramter diesen beschreiben und je zeitnaher und umfangreicher die relevanten Daten verfügbar sind, desto schärfer wird das Abbild des Zwillings zum realen Objekt", sagt Dietrich. Ein digitaler Zwilling sei demnach kein statisches Element, es wächst heran wie ein Lebewesen und erhält über die Zeit neue Eigenschaften.

"Bevor Hersteller jedoch einen digitalen Zwilling nutzen können, müssen sie einen intelligenten, vernetzten Entwicklungsprozess implementieren und verstehen, wie sie ihre Daten verwalten und sinnvoll nutzen können", gibt Stephan Ellenrieder, Senior Vice President Zentraleuropa und Geschäftsführer von PTC Deutschland, zu denken. Für diesen Entwicklungsprozess sollten nach Ellenrieder bereits verfügbare Produktdaten in eine digitale Produktdefinition organisiert, Produkte zur Erfassung der benötigten Datenströme entwickelt und ein digitaler Thread während des gesamten Lebenszyklus für eine vollständige Rückverfolgbarkeit sichergestellt werden.

Tipp: Anwendertreff MaschinenkonstruktionDie Rolle der Simulation auf dem Weg zur prädiktiven Wartung mit dem Digitalen Zwilling ist auch Thema eines Vortrags auf dem Anwendertreff Maschinenkonstruktion, der am 5. Juni 2018 stattfindet. Gemeinsam mit Dr. Stefan Benk von Phoenix Contact wird Christof Gebhardt erklären, wie für ein Relais ein Digitaler Zwilling auch für funktional sichere Anwendungen erstellt wurde.
Zum Programm: Anwendertreff Maschinenkonstruktion

Ein digitaler Zwilling kann ohne reale Daten nicht existieren

"Ein digitaler Zwilling braucht reale Daten, weil er ohne diese nicht existiert. Das virtuelle Modell ist durch Sensoren mit dem realen Vorläufer verbunden", sagt Darko Sucic, Senior Director und Leiter des Center of Excellence „Digital Manufacturing" bei Dassault Systèmes. Mit Hilfe eines digitalen Zwillings einer Produktionsanlage beispielsweise können neue Produkte auf Produktionstüchtigkeit validiert werden, die noch nicht (real) existieren. Dafür wird lediglich das virtuelle Modell vom Produkt und den Zwilling der Anlage gebraucht. "Der Vorteil ist, dass damit das Verhalten des neuen Produktes unter realen Bedingungen bereits getestet werden kann", beschreibt Sucic. Die Basis dafür ist laut Sucic eine zentrale Plattform wie die 3D-Experience Plattform von Dassault Systèmes, auf der eine starke Simulationssoftware eingebunden ist. Diese greift dann direkt auf die Konstruktionsdaten aus dem CAD-Programm zu. Damit ist auch die Hürde für den Konstrukteur relativ gering – er arbeitet mit gewohnten Programmen.

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"Einzig die Möglichkeiten maximieren sich: Mit dem 3D-Experience Twin kann beispielsweise getestet werden, wie sich die Eigenschaften verschiedener Materialien auf Platzbedarf, Stabilität, Geometrie, Lagerfähigkeit und Transport auswirken", beschreibt Sucic. Dadurch können auch kritische Stellen in der Produktion identifiziert werden, an denen das Produkt Qualitätsmängel erleiden würde. Ändern sich Produktionsabläufe fließen diese Informationen direkt auf die Plattform und damit automatisch in die Simulation mit ein – es entsteht ein neuer Zwilling. Dadurch steigt die Produktqualität und das Risiko von Produktrückrufen minimiert sich deutlich. Da auf der Plattform alle Anwendungen auf demselben Datenmodell aufbauen, lassen sich alle Daten ohne Konvertierung nutzen. Außerdem haben alle am Wertschöpfungsprozess Beteiligten Zugang zu diesen Daten in Echtzeit. "Daraus entstehen neue Chancen in der Zusammenarbeit: Entwickelt ein Produktdesigner zum Beispiel mit der Konstruktionssoftware Catia ein Modell, kann der Ingenieur diese Daten in der Fabrik- und Prozessplanung mit Delmia für sich nutzen. Das spart Zeit, Kosten und lässt Freiraum für Innovationen“, sagt Sucic.

Produkte geben Prozesse vor

Um innovative Fertigungstechnologien, 3D-Druck etc., optimal nutzen zu können, werden Konstruktionswerkzeuge, wie eine Topologieoptimierung, direkt in der Konstruktionsumgebung vorhanden sein müssen. "Bionische Strukturen, Knochen- oder Wabenmuster, erlauben völlig neue Kon struktionsansätze und versprechen gleichzeitig verbesserte Produkteigenschaften, wie Gewichtsreduzierung bei gesteigerter Festigkeit. Nur mithilfe des digitalen Zwillings kann revolutionierte, mehr Computer- und simulationsbestimmte Produktentwicklung gelingen", skizziert Scheller. Der moderne Konstrukteur findet hier alle Informationen und Werkzeuge für die Bewertung und Fertigbarkeit der Produkte der nächsten Generation, ohne einen physischen Prototypen zu schaffen. Das erspart dem Unternehmen Zeit und Geld.

In der Fabrik der Zukunft sorgen die digitalen Zwillinge der zu fertigenden Produkte für eine Umkehrung der Fertigungslogik. "Nicht mehr die Maschinen geben die Prozesse vor, sondern die Produkte", sagt Dr. Heiner Lang von Bosch Rexroth. So erzeuge schon die Bestellung durch den Kunden einen digitalen Zwilling. "Er wird beispielsweise über einen RFID-Chip mit dem Rohling verbunden. Von nun an wird vor jedem Bearbeitungsschritt der RFID-Chip ausgelesen und das Produkt teilt der Maschine mit, was zu tun ist", beschreibt Lang das Szenario.

Wie in vielen Berufen ist beim Thema Digitaler Zwilling eine Neuorientierung und Weiterbildung nötig. Laut Scheller brauche der Konstrukteur den digitalen Zwilling als durchgängiges Datenmodell und eine Konstruktionssoftware, die Best Practices bereits zur Verfügung stellt, neue Fertigungsverfahren unterstützt und ihm entsprechende Vorschläge zur Auswahl gibt. "Darauf aufbauend eröffnen sich ihm allerdings ungeahnte Potentiale. Ein wichtiger Schritt zur Umsetzung einer Digitalisierungsstrategie", betont Scheller.

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