Digitaler Zwilling in R&D
Das digitale Abbild der Realität
Die Nutzung digitaler Modelle ist in der Industrie ein längst etablierter Standard. Sie werden bei der Produktentwicklung (CAD), der digitalen Absicherung (DMU, Simulation), innerhalb der Produktion (CAM) oder auch im Marketing (photorealistisches Rendering) eingesetzt.
Das Konzept des Digitalen Zwillings geht darüber hinaus: Er verknüpft reale Produkte und ihr Verhalten mit dem digitalen Pendant. Der Digitale Zwilling ist somit ein Abbild der Realität.
Die Verknüpfung beider Welten ermöglicht, aktuelle Zustandsinformationen vom realen Objekt an das digitale Modell zu übertragen. So stiftet der Digitale Zwilling auf vielfältige Weise Nutzen: Er kann z.B. Fabriken leistungsfähiger oder Produkte kundenorientierter machen, indem Nutzungsdaten für die (Weiter-)Entwicklung verwendet werden. Auch ermöglicht der Digitale Zwilling neue Geschäftsmodelle, wie z.B. Remote Services, Condition-Monitoring oder datenbasierte Services, z.B. Stauvorhersagen.
Der Digitale Zwilling in Entwicklungsprozessen
Der Digitale Zwilling bzw. das Digitale Modell in der Produktentstehung dient der Visualisierung und Simulation und beschleunigt den Planungs- und Entwicklungsprozess durch verbesserte Stakeholder-Interaktion und eine virtuelle Absicherung auf Basis von Felddaten. Zudem fördern Felddaten das Verständnis von Kundenverhalten für zukünftige Innovationen.
Der Digitale Zwilling in der Betriebsphase
Der Digitale Zwilling des produzierten Produkts ermöglicht während der Betriebsphase eine Vielzahl an innovativen Services und stellt eine erhebliche Erweiterung des Geschäftsmodells in Aussicht (z.B. Function on Demand, Update over the air).
Der Data Layer als Grundlage des Digitalen Zwillings
Als Data Layer bezeichnet man die Verbindung von Datenobjekten bestehender, nicht direkt oder nur eingeschränkt miteinander verknüpfter IT-Systeme. Grundidee ist, die Daten nur in Ausnahmefällen in einer separaten Datenbank zu doppeln um Redundanzen zu vermeiden und eine klare „Single Source of Truth“ zu ermöglichen. Ziel ist die durchgängige Bereitstellung aller benötigten Daten, unabhängig von der eigenen Abteilung, im besten Fall sogar Firmen-übergreifend.
Der Data Layer ist keine reine Verlinkung der Systeme, sondern kann Datenobjekte auch anreichern und für die Zielsysteme semantisch aufbereiten bzw. übersetzen und bietet damit die Chance, die unterschiedlichen Datenmodelle verschiedener Unternehmensbereiche zu vernetzen. Damit bietet der Data Layer die Grundlage für den Digitalen Zwilling, die virtuelle Nachbildungen eines physischen Produkts, Prozesses oder Systems. Für die immer komplexer werdende Produktewelt eine unverzichtbare Grundlage für die Analyse und Optimierung. Mit der zunehmenden Realisierung der Industrie 4.0 oder des IoT und der damit verbundenen rapide steigenden Anzahl an Sensoren in der realen Produktwelt, ermöglicht die durchgängige Datenverfügbarkeit beschleunigte Produktentwicklung, unterstützt auch von KI-Systemen.
Die Chronologie des Digitalen Zwillings
Der Digitale Zwilling ist nicht neu – er geht zurück auf das Jahr 1970. In diesem Jahr meldete sich der Astronaut John Swigert beim NASA Mission Control Center in Huston mit den Worten „Houston, wir haben ein Problem“. Ein explodierter Sauerstofftank des Servicemoduls brachte die Elektrizitäts-, Licht- und Wasserversorgung des Kommandomoduls zum Zusammenbruch. Die Ingenieure der NASA ermittelten Möglichkeiten, die entstandenen Schäden mit Bordmitteln zu beheben. Dieses taten sie an einer 1:1-Kopie des Apollo 13 Moduls, was sich auf der Erde befand und „the twin“ genannt wurde. Der Begriff „Digitaler Zwilling" – wurde erstmalig vom Amerikaner Michael Grieves genannt. Er prägte diesen Begriff im Rahmen seiner Forschung zum Product Lifecycle Management (PLM) an der University of Michigan und bezeichnet damit ein digitales 1:1-Abbild eines realen Objekts – diesen bezeichnete Grieves zunächst einfach als Doppelgänger. Ab dem Jahr 2016 wurden in unterschiedlichen Bereichen Digitale Zwillinge erfolgreich implementiert – u.a. zur Visualisierung eines Motorblocks oder auch für den Hafen Rotterdamm. Dieses wird aber erst der Anfang sein. Aufgrund der immer weiter steigenden Anzahl an Sensoren – über 20 Milliarden sind es schon in 2020 – prognostiziert Gartner, dass in 2021 die Hälfte aller großen Industrieunternehmen bereits Digitale Zwillinge produktiv einsetzt. Dieser Trend wird sich weiter beschleunigen.
Verschiedene Arten des Digitalen Zwillings
Es gibt nicht nur "den einen" Digitalen Zwilling. Digitale Zwillinge können anhand ihres Umfangs und der Art der Anwendung unterschieden werden. So gibt es Digitale Zwillinge für einzelne Komponenten, wie z.B. ein Ventil, welches über einen Sensor den Volumendurchfluss ermittelt, für Produkte, die ihrerseits aus mehreren Komponenten bestehen, oder für ganze Systeme, sodass z.B. eine komplette Fabrik als Digitaler Zwilling abgebildet wird.
Mittels Digitaler Zwillinge können unterschiedliche Anwendungen realisiert werden: Der reine Datenzwilling ermittelt über Sensoren den Zustand des realen Objekts und zeigt diesen in der virtuellen Welt an. Der Simulationszwilling hingegen geht über die reine Visualisierung hinaus – er nutzt die übertragenen Sensordaten, um damit auch das künftige Verhalten zu simulieren. Ein Beispiel hierfür ist die Nutzung von Maschinendaten (Durchlaufzeit, Leerstandzeiten, Puffergrößen, Bearbeitungszeiten, etc.) in einer Simulation, um damit mögliche Optimierungen zu ermitteln (Reduktion der Puffergrößen, Erhöhung der Ausbringungsmenge, etc.). Der Steuerungszwilling simuliert nicht nur mögliche Optimierungen, er greift auch steuernd in der realen Welt ein: auf Basis der ermittelten Optimierung werden vom Digitalen Zwilling Steuerungsbefehle an die reale Maschine gesendet. Durch solche Steuerungszwillinge lassen sich Smart Factories – also wandlungsfähige Fabriken – erst realisieren.
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