Digitaler Zwilling / Digital Twin – Smart Factory Glossar

Ein digitaler Zwilling oder Digital Twin definiert sich als virtuelles Abbild eines realen Geräts, einer Maschine eines kompletten Systems oder eines einzelnen Prozesses. Der digitale Zwilling enthält ausgewählte Merkmale und Zustände des nachgebildeten Produkts und ist mit dem realen Objekt verbunden. Er berücksichtigt sämtliche bekannten und relevanten Informationen wie Sensor- oder Maschinendaten.

Realer und digitaler Zwilling tauschen Daten miteinander aus. So lassen sich Maschinen und Objekte gezielt und zuverlässig kontrollieren. Der digitale Zwilling ermöglicht es zudem, unterschiedliche Szenarien der Realität zu simulieren. Dazu zählt zum Beispiel, Prognosen zum zukünftigen Verhalten einer Maschine zu erstellen, deren Betrieb zu optimieren oder Anomalien zu erkennen.

 

Eigenschaften des Digital Twins

Vom Fertigungsleitstand bis zum Gesundheitsmanagement und von der virtuellen Trainingswelt bis zum komplexen Simulationsmodell: Der digitale Zwilling befindet sich auf dem Vormarsch. Damit er all seine Vorteile ausspielen kann, muss er diese Anforderungen erfüllen:

• Detailgetreue Nachbildung, auch anhand von Zustandsdaten und Sensorwerten
• Repräsentation des realen Verhaltens und Simulation eines potenziellen Verhaltens
• Ständiger Austausch zwischen physischem und digitalem Zwilling
• Abgleich und durchdachte Synchronisation mehrerer Digital Twins
• (Manipulations-)sichere Implementierung, kontrollierter Zugriff und bestmögliche Verfügbarkeit

Für eine systemübergreifende Vernetzung und den reibungslosen Datenaustausch sind standardisierte Schnittstellen nötig, die bidirektional funktionieren. Dies stellt den Datenfluss in beide Richtungen sicher und ermöglicht es, Steuerbefehle vom digitalen Zwilling an das reale System zu übermitteln.

 

Vorteile des digitalen Zwillings

Die Kombination aus realen Daten mit variablen Parametern erlaubt es, aussagekräftige Simulationen zu erstellen. Gerade in der Produktentwicklung sind Adaptionen des digitalen Zwillings wesentlich schneller möglich als das Herstellen physischer Prototypen. Das wirkt sich positiv auf die Produktentwicklungszeit und die Kosten aus.

Wird die komplette Fertigung mit all ihren Maschinen und Anlagen überwacht, werden bereits kleinste Abweichungen im Produktionsablauf schnell erkannt. Sobald zum Beispiel ein Temperaturwert von der Norm abweicht, können sofort verschiedene Szenarien simuliert werden, die die Auswirkungen aufzeigen. Somit werden Probleme erkannt, bevor sie auftreten.

Der digitale Zwilling macht Abläufe

• schneller,
• kostengünstiger,
• effektiver.

 

Der digitale Zwilling in der Produktion

In der Fertigung ist der digitale Zwilling ein essenzieller Bestandteil der Smart Factory. Dort bildet eine umfassende Kenntnis über die Daten der an der Produktion beteiligten Ressourcen die Basis dafür, dass Prozesse automatisiert gesteuert werden können. Informationen zu Maschinen, Werkzeugen, Material, NC-Programmen, Fertigungshilfsmitteln, Produktqualität oder auch Energiedaten müssen dafür flächendeckend und lückenlos in Echtzeit erfasst werden. Damit ein Abbild entsteht, das nicht nur wirklichkeitsgetreu, sondern auch vollständig ist, enthält der digitale Zwilling neben den aktuellen Daten über die Anlage auch die relevanten historischen Daten.

• Predictive Maintenance / Vorausschauende Wartung: Anhand der erhobenen Daten kann die Software den optimalen Zeitpunkt für die Wartung von Maschinen und Anlagen vorhersagen. Das verringert das Risiko ungeplanter Störungen und Maschinenausfälle. 
• Modellieren von Lieferketten / Materialflussplanung: Der digitale Zwilling kann die Datenbasis nutzen, um Lieferengpässe oder Qualitätsprobleme beim Rohmaterial zu simulieren und die bestmöglichen Alternativszenarien zu berechnen. 
• Fabrikanlagen planen und überwachen: Daten aus den unterschiedlichen Systemen werden visualisiert und ein virtueller Leitstand erschaffen. Dazu werden Maschinen- und Produktionsdaten aus dem MES, Planungsdaten aus dem ERP, aber auch Prozess- und HR-Daten herangezogen.
• Produktionsprozesse optimieren: Der digitale Zwilling erkennt und visualisiert Missstände, sodass schnell gegengesteuert werden kann.
• Anomalie-Erkennung: Wird der digitale Zwilling mit maschinellem Lernen kombiniert, kann er Abweichungen von der Norm schnell und zuverlässig erkennen.

 

 

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Weitere Anwendungsfelder und Anwendungsfälle

Anwendungsfelder für den digitalen Zwilling erstrecken sich über viele Bereiche. Abgesehen vom digitalen Zwilling in der Fertigungsindustrie, findet er auch im Gesundheitswesen, dem Fahrzeugbau oder bei Haushaltsgeräten Verwendung. Er ist auch aus dem Trainings- und Ausbildungsbereich nicht mehr wegzudenken.

• Gesundheitswesen: Anhand eines virtuellen Abbilds des menschlichen Körpers oder einzelner Organe lässt sich zum Beispiel die Reaktion auf Medikamente simulieren. Darüber hinaus können Chirurgen komplizierte Eingriffe präzise am digitalen Modell planen, um die Erfolgschancen besser einzuschätzen. Analog zum visuellen Fertigungsleitstand kann mit einem Leitstand im Krankenhaus eine komplette Station überwacht werden. Der digitale Zwilling nutzt dafür die Gesundheits- und Verwaltungsdaten.
• Fahrzeugbau: Der digitale Zwilling eines Autos ermöglicht es, dessen physikalische Eigenschaften zu berechnen oder Fahrereignisse zu simulieren.
• Haushaltsgeräte: Ein einfaches Beispiel für diesen Bereich ist das digitale Abbild einer Kaffeemaschine, die den anstehenden Wechsel des Wasserfilters anzeigt. Komplexer wird es beim Digital Twin einer gewerblichen Siebträgermaschine, der es ermöglicht alle Subsysteme und somit das Gesamtsystem zu optimieren.
• Trainings: Virtuelle Lernmodule simulieren das Verhalten hochkomplexer Maschinen. Die Bediener lernen den Umgang damit dreidimensional, interaktiv, praxisnah und sicher. Dies ist insbesondere bei Anlagen mit hohem Gefahrenpotenzial ein entscheidender Vorteil.