Digital Twin: Effizienter mit Industrie 4.0
Letzte Aktualisierung am 24 Februar 2023 um 03:17 pm
5,00/5Die herstellende Industrie hat sich in den letzten Jahrzehnten zu einem hart umkämpften Markt entwickelt, bei dem Innovation genauso wichtig für den Erfolg eines Unternehmens ist wie Kosteneffizienz, ressourcenschonendes Produzieren und schnelle Reaktionsfähigkeit. Mit dem Konzept Digital Twin will die Industrie auf die hohen Anforderungen reagieren und mit virtuellen Modellen echte Szenarien nachempfinden. Wie dies funktioniert und welche Vorteile ein Unternehmen von der Nutzung der digitalen Zwillinge hat, zeigen wir heute.
Was ist ein Digital Twin?
Laut Definition ist ein Digital Twin oder zu deutsch digitaler Zwilling ein virtueller Nachbau physisch vorhandener Objekte oder ganzer Systeme. Diese digitale Abbildung muss sich nicht immer zwingend auf ein haptisches Objekt beziehen. Es kann auch digitale Dienstleistungen und deren spezifischen Eigenschaften widerspiegeln.
Der Großteil der Unternehmen wenden digitale Zwillinge jedoch bei bestehenden Produktionsanlagen jeglicher Art ein, um Optimierungsprozesse umzusetzen.
Wozu benutzt man einen digitalen Zwilling?
Mit einem digitalen Zwilling können bestehende Produktionslinien oder Produktionsanlagen in die virtuelle Welt übertragen werden. So werden beispielsweise an Wasserkraftanlagen oder Windrädern Sensoren platziert, die entscheidende Kennzahlen liefern, die für das virtuelle Modell genutzt werden.
Produktionsvorhersagen können gemacht und mögliche Probleme frühzeitig aufgedeckt werden. Mit der verstärkten Analyse von Daten soll die Herstellung und Nutzung von Anlagen optimiert werden. Die Geschäftsleitung erwartet bessere finanzielle Ergebnisse und einen generellen Anstieg der Leistungsfähigkeit.
Welche Vorteile bringt die Nutzung eines Digital Twins?
Eine genaue Abbildung einer physischen Maschine oder einer kompletten Produktionsanlage erlaubt es den Ingenieuren, Arbeitsabläufe zu simulieren. Die sogenannten Industrie 4.0- Arbeitsgruppen konzentrieren sich auf die Analyse der Daten aus dieser Simulation. Damit sollen im wesentlichen drei herausragende Vorteile erreicht werden.
Steigerung der Effizienz
Bereits bevor ein Objekt in die Produktion geht, können mit dem digitalen Zwilling immer wieder Kontrollen durchgeführt werden, die die Entwicklungsphase unterstützen. Dies steigert die Effizienz bereits in der Produktentwicklung, aber auch bei der Herstellung selbst.
Verbesserung bei Forschung & Entwicklung
Der digitale Zwilling ermöglicht es der Abteilung Entwicklung und Forschung eines Unternehmens, viel präziser neue Modelle zu erstellen. Viele Prozesse können bereits digital am virtuellen Modell durchgespielt werden.
Leistungsvermögen und Effizienz neuer Produkte können mit Echtzeitdaten, die zeitnah ausgewertet werden, optimiert werden. Das alles findet virtuell statt, was gleichzeitig bedeutet, dass Ressourcen im Bereich Prototypenbau eingespart werden.
Analyse des Produktlebenszyklus
Ein weiterer Punkt, der bei der Produktentwicklung bereits beachtet werden sollte, ist die Lebensdauer des Objektes. Mit einer Simulation des Produktlebenszyklus am digitalen Zwilling kann schon für die Zeit nach der Arbeit von Maschinen und Bauteilen gedacht werden. Welche Teile können recycelt oder bei anderen Prozessen weiterverarbeitet werden?
Im virtuellen Zwilling kann auch dieser Prozess durchgespielt werden und die in Frage kommenden Bauteile der Maschinen und Produkte markiert werden. Dies unterstützt eine ressourcenschonende Produktion.
4 Arten eines Digital Twins
Je nachdem, wie umfangreich ein Objekt oder Projekt ist, werden unterschiedliche Arten eines digitalen Zwillings genutzt. Hierbei spielt natürlich auch die Branche eine entscheidende Rolle. Es sollte klar sein, dass für die Umsetzung eines Stromnetzwerkes andere Parameter gelten als bei der Digitalisierung einer Düsenturbine für den neuen Airbus.
Die folgenden 4 Arten werden von der Industrie 4.0, wie dieser moderne, virtuell ausgerichtete Bereich der herstellenden Branchen genannt wird, eingesetzt.
Prozess-Zwilling
Wie der Name schon vermuten lässt, geht es bei Prozess-Zwillingen um komplexe Konzepte und Systeme. Hierunter fallen beispielsweise komplette Produktionsanlagen oder Verbrauchernetze eines Stromanbieters. Ziel der Prozess-Zwillinge ist die Wiedergabe des Zusammenspiels der einzelnen Einheiten und Optimierung des gesamten Prozesses.
System-/Unit-Zwilling
Unit- oder System-Zwillinge sind Bestandteil eines Prozess-Zwillings. Der System-Zwilling bildet untergeordnete Systeme ab, die im Gesamtbild in einen Prozess-Zwilling zusammengeschlossen werden. Dabei kann in dieser Phase das Zusammenspiel der einzelnen Objekte oder Assets genauer analysiert und entsprechend optimiert werden.
Asset-Zwillinge
Man spricht dann von einem Asset, wenn mindestens zwei Komponenten miteinander arbeiten. Die Asset-Zwillinge fokussieren sich auf die Interaktion zwischen den beteiligten Komponenten. Dabei entstehen viele nützliche Daten, die im Nachgang ausgewertet werden können.
Teilzwilling/Komponenten-Zwilling
Handelt es sich bei dem digital dargestellten Objekt um eine einzelne Unit, dann spricht man von einem Komponenten-Zwilling. Dies ist die Grundeinheit, aus denen komplexere Objekte aufgebaut werden können. Ein Teilzwilling beschreibt dagegen eine Komponente, die nicht so bedeutend ist.
Anwendung eines Digital Twins
Digitale Zwillinge finden in verschiedenen Branchen Anwendung. Der Einsatz wird vor allem für sehr komplexe Systeme und Bauteile genutzt. Nicht für jeden Hersteller lohnt sich die kosten- und zeitintensive Erstellung eines digitalen Zwillings. Sie sollten nicht aus den Augen verlieren, dass es sich bei einem Digital Twin um die exakte Wiedergabe des echten Objekts handelt. Der Datenfluss der Sensoren muss sehr hoch sein, damit die gewünschten Ergebnisse erzielt werden können.
Aus diesem Grund ist diese Form der Digitalisierung vor allem für diese Branchen sinnvoll:
- Ingenieurwesen bei komplexen Systemen
- Flugzeugbau
- Automobilbranche
- Bauwesen
- Schienenfahrzeugbau
- Unternehmen in der Energieversorgung
- Produktionslinien
- Intelligente Städte
Wenn Sie sich dazu entscheiden, einen digitalen Zwilling zu erstellen, aber intern nicht über die Ressourcen verfügen, können Sie sich an eine Agentur für digitale Transformation wenden.
Beispiele für digitale Zwillinge
Beispiele für einen Digital Twin finden sich unter anderem bei Projekten mit einer sehr großen Dimension. Bei Brücken und Gebäudekomplexen, die an sehr strenge Regeln und Auflagen gebunden sind, kann das Modell nach den gesetzlichen wie auch physikalischen Rahmenbedingungen erstellt und auf Funktionalität getestet werden.
Ähnliches gilt für die Branchen Flugzeug- und Autobau. Die komplizierten und sehr komplexen Bauteile wie Turbinen, komplette Autos oder Flugzeuge werden als Digital Twin erstellt und können auf Herz und Nieren untersucht werden.
In der herstellenden Industrie wird immer mehr auf semiautomatische oder komplett automatisierte Produktionslinien gesetzt. Die Konzeption und Umsetzung solcher modernen Fertigungsprozesse ist sehr kostenintensiv und sollte möglichst fehlerfrei ablaufen. Um eine physische Inbetriebnahme kommt die herstellende Industrie nicht herum, doch mit der Industrie 4.0 können alle Erkenntnisse der Fachleute schon vorher im digitalen Zwilling eingebracht werden.
Maschinen, Roboter und Menschen werden aufeinander abgestimmt und ein reibungsloser Prozess erstellt. Nachträgliche Anpassungen sind sehr teuer und können mit dem Digital Twin umgangen werden. Gleiches gilt für Anlagen-Stillstände, die hohe Ausfallkosten erzeugen.
Stromversorger ziehen ebenfalls Nutzen aus einem Digital Twin. Das gesamte Netzwerk kann digital erstellt werden. Alle wichtigen Komponenten werden mit Echtzeitdaten gespeist. Engpässe sind schneller erkennbar und die komplette Funktion des Systems wird so optimiert, dass die Energieressourcen so effektiv wie möglich genutzt werden.
Ebenfalls denkbar sind System-Zwillinge, die bei der Entwicklung und Umsetzung intelligenter Städte eingesetzt werden. Die verschiedenen Abläufe, die in einer Stadt tagtäglich vor sich gehen, können simuliert werden. Dienstleistungen werden optimiert und Ressourcen effizienter eingesetzt, was schlussendlich zu einer klimafreundlicheren Umgebung führt, die ein grüneres Leben verspricht.
Bei diesen Großprojekten wie kompletten Städten werden einzelne Netze als System-Zwilling dargestellt, wie beispielsweise das Stromnetz, der öffentliche Transport, die Müllabfuhr und vieles mehr. Zusammen ergibt sich ein Prozess-Zwilling, der die Stadtverwaltung und die Politik bei Entscheidungen unterstützt.
Fazit
Digitale Zwillinge werden in Zukunft immer mehr an Bedeutung gewinnen. Die vielfältigen Einsatzgebiete sprechen dafür, dass der Anteil der Unternehmen, die auf diese Einblicke zurückgreifen möchten, ansteigt. Die enormen Möglichkeiten, bereits im Vorfeld Bauteile und komplexe Produktionslinien oder Netzwerke zu überprüfen und zu optimieren, führen letztendlich zu effizienteren Systemen, Kostenreduktion und klimafreundlicheren Prozessen.
Sehen wir in Verbindung dazu noch die schnell voranschreitende Entwicklung der Künstlichen Intelligenz und die Möglichkeiten, Big Data zu verarbeiten, wird klar, dass uns in diesem Bereich noch viel erwartet.
