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Digitaler Zwilling Was kann der Digitale Zwilling?

| Autor: Juliana Pfeiffer

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

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

Das digitale Abbild der Realität ist nicht erst seit dem Hollywood-Film Avatar ein prägender Begriff in der Industrie. Digitale Zwillinge sind virtuelle Abbilder von Produkten, Dienstleistungen oder Prozessen und 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.

Definition: Was ist ein Digitaler Zwilling?

Zunächst galt der Digitale Zwilling als realitätsnahes, mathematisches Modell, das das Verhalten realer Anlagen oder Dienste so genau wie möglich widerspiegelt. Inzwischen hat sich die Definition um die simulierten und sichtbaren dynamischen 3D-Modelle erweitert.

Zurzeit wird der Begriff Digitaler Zwilling definiert alsein sich entwickelndes digitales Profil des historischen und aktuellen Verhaltens eines physischen Objekts oder Prozesses, das dabei hilft, die betriebswirtschaftliche Leistung zu optimieren. Der digitale Zwilling basiert auf umfangreichen, kumulativen Echtzeit-Datenmessungen, die dimensionsübergreifend in der realen Welt vorgenommen werden.“ (zitiert nach Deloitte Consulting: „Industry 4.0 and the digital twin – Manufacturing meets its match“. Deloitte University Press, 2017).

GE wendet die ‚Digital Twin‘ Technologie als Pionier dieser Entwicklung bereits für 800.000 industrielle Anlagen weltweit an. Virtuell abgebildet und animiert werden Technologien sämtlicher Industriebereiche, etwa Windenergieanlagen, Flugzeugtriebwerke und ganze Kraftwerke.
GE wendet die ‚Digital Twin‘ Technologie als Pionier dieser Entwicklung bereits für 800.000 industrielle Anlagen weltweit an. Virtuell abgebildet und animiert werden Technologien sämtlicher Industriebereiche, etwa Windenergieanlagen, Flugzeugtriebwerke und ganze Kraftwerke.
(Bild: GE)

Die Vorteile des 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

Peter Scheller, Marketing Director NX bei Siemens PLM Software, erklärt, was genau ein Digitaler Zwilling ist: „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.“

Damit ein digitaler Zwilling entstehen kann, müssen laut Dietrich von GE 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.

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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, 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 beispielsweise 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.

„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.

So verändert der Digitale Zwilling die Produktion & Logistik

Um innovative Fertigungstechnologien wie 3D-Druck optimal nutzen zu können, werden Konstruktionswerkzeuge wie eine Topologieoptimierung direkt in der Konstruktionsumgebung vorhanden sein müssen. „Bionische Strukturen, Knochen- oder Wabenmuster, erlauben völlig neue Konstruktionsansätze und versprechen gleichzeitig verbesserte Produkteigenschaften, wie Gewichtsreduzierung bei gesteigerter Festigkeit. Nur mithilfe des digitalen Zwillings kann revolutionierte, mehr Computer- und simulationsbestimmte Produktentwicklung gelingen“, skizziert Marketing Director bei Siemens, 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.

„Nicht mehr die Maschinen geben die Prozesse vor, sondern die Produkte“, erklärt Dr. Heiner Lang, Leiter Business Unit Automation & Electrification Solutions, Bosch Rexroth.
„Nicht mehr die Maschinen geben die Prozesse vor, sondern die Produkte“, erklärt Dr. Heiner Lang, Leiter Business Unit Automation & Electrification Solutions, Bosch Rexroth.
(Bild: Bosch Rexroth)

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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Über den Autor

 Juliana Pfeiffer

Juliana Pfeiffer

, konstruktionspraxis – Alles, was der Konstrukteur braucht