Im Zeichen des Zwillings

Maschinen und Produkte gibt es künftig doppelt: in der Realität und als digitales Abbild. An ihm lassen sich Produkte virtuell planen, testen, zusammenbauen und reparieren, noch bevor die echte Produktion anläuft.

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Von
  • Bernd Müller
Inhaltsverzeichnis

Mit den Crashtests fing es an: Seit vielen Jahren fahren Automobilhersteller ihre neuen Modelle gegen die virtuelle Wand, um Zeit und teures Blech zu sparen. Heute sind solche Tests in nahezu allen Branchen und für viele Produkte üblich. Jetzt hält ein weitergehendes Konzept in den Unternehmen Einzug: der digitale Zwilling. Neu an daran ist, dass dieser die komplette Wertschöpfungskette vom Entwurf bis zur Entsorgung umfasst. Und dass er das Produkt begleitet, also auch spätere Änderungen am Produkt oder an seiner Herstellungsweise durchspielt. So lassen sich etwa die Ursachen von Qualitätsfehlern aufspüren.

Fünf Stufen gebe es entlang der Wertschöpfungskette, bei der der Zwilling zum Einsatz komme, erläutert Raimund Klein, Executive Vice President bei Siemens in Singapur und dort unter anderem für das Thema digitale Fabrik zuständig: Produktdesign, Produktionsplanung, Produktionsengineering, Produktion und Services. Simuliert werden unter anderem die Belastbarkeit des Produkts über physikalische Simulationen, die Ergonomie am Arbeitsplatz über virtuelle Dummys, das Zusammenspiel von Mechatronik und Automatisierung und die Auswertung von Sensordaten aus dem laufenden Betrieb für die vorausschauende Wartung. Dieser ganzheitliche Ansatz erfasst, laut Klein zunehmend auch die Prozessindustrie, wo nicht zählbare Produkte montiert, sondern in kontinuierlichen Verfahren Benzin, Dünger oder Getränke hergestellt werden.

In vielen Fabriken sind Papierzeichnungen bis heute häufiges Arbeitsmittel. Dabei bringt die Digitalisierung große Effizienzsprünge. Das aufwändige Erstellen der Zeichnungen fällt ebenso weg wie die Gefahr, mit veralteten oder unvollständigen Unterlagen zu arbeiten. Deshalb werde sich der Trend zur Nutzung interaktiver 3D-Modelle und digitaler Prozesse in den nächsten Jahren noch beschleunigen, glaubt Joachim Bauer, Verkaufsdirektor DELMIA bei Dassault Systèmes in Deutschland und Spezialist für Produktions- und Fabrikplanung. Dank der digitalen Workflows gelangen die Modelle und Informationen zu jeder Zeit an die Stelle, an der sie gebraucht werden – und dieser Effekt potenziert sich, je weiter diese Workflows sich im Unternehmen ausbreiten.

Ein Beispiel: 3D-Konstruktion und virtuelle Testläufe einer Waschmaschine.

(Bild: Dassault Systèmes)

Bei Industrie 4.0 wird die gesamte Wertschöpfungskette modelliert.

(Bild: Siemens)

Der Virtuelle Zwilling ist laut Bauer die konsequente Weiterentwicklung der Digitalen Fabrik. Ihre digitale Repräsentation ist ein permanentes Abbild der laufenden realen Produktion. In den heutigen virtuellen Fabrikmodellen werden diese meist aus Planungsdaten und Daten aus der Produktentwicklung gespeist und nicht direkt mit Daten aus der Produktion. Es gibt zwar schon länger Verfahren, diese Modelle auch mit solchen Live-Daten zu versorgen, etwa mit Layouts, die durch Laserscanning erzeugt wurden, aber auch dabei gibt es Medienbrüche. Und die Momentaufnahme kann bei der nächsten Änderung in der realen Produktion bereits wieder veraltet sein. Beim digitalen Zwilling dagegen werden laufend Daten aus der Produktion eingespeist, damit dieser stets aktuell die reale Fabrik repräsentiert.

Digitale Zwillinge machen überall dort Sinn, wo Produkte digital geplant werden und während der Nutzung Daten anfallen – also in nahezu allen Industriezweigen. Egal wo man hinschaut, der digitale Zwilling ist schon da. Kreuzfahrtschiffe? Der US-Konzern GE bietet Reedern einen digitalen Zwilling, an dem Service-Mitarbeiter Reparaturen durchspielen können, noch bevor das Schiff vom Stapel läuft. Idealerweise hilft die Software, Reparaturen zu vermeiden, indem Verschleiß rechtzeitig gemeldet wird. GE nutzt die Software auch für andere Branchen, etwa für Kraftwerke oder Windräder oder in Flugzeugen. Auf einem Flug von Frankfurt nach London sammelt jedes GE-Triebwerk bis zu zwei Terabyte Daten und übermittelt diese per Satellit an das Unternehmen.

Mit dem digitalen Zwilling von Rittal kann der Kunde die Wärmeverteilung in seinem Schaltschrank berechnen.

(Bild: Rittal GmbH & Co. KG)

GE-Konkurrent Siemens steht dem in nichts nach. Auch beim deutschen Konzern gibt es interessante Beispiele, wie digitale Zwillinge den Kunden nutzen können. Einer kommt bei der Entwicklung der riesigen Kräne zum Einsatz, die in Häfen die Container aus den Schiffen und auf Lkw hieven. Mittels Simulation haben die Entwickler eine Steuerung entwickelt, die einen Container automatisch greift und zu seinem Abladepunkt fährt, ganz ohne Pendeln und so schnell wie der schnellste Kranführer. Im größten Container-Umschlaghafen der Welt in Singapur bedient jeder Kranführer nun bis zu sechs Kräne, wobei er die meiste Zeit nicht eingreifen muss. Möchte der Kunde Änderungen am Kran haben, etwa am Antrieb, sagt der Zwilling gleich, welche Auswirkungen das hat, zum Beispiel wieviel Zeit sich damit sparen lässt. Für Siemens ist das ein wichtiges Verkaufsargument. "Mit dem digitalen Zwilling überzeugen wir unsere Kunden, dass sie Zeit und Kosten sparen, wenn sie ihre Ausrüstung bei uns kaufen, obwohl die Investition vielleicht zunächst höher ist", sagt Christian Kögl, Senior Vice President für das Geschäft mit Kränen bei Siemens.