Auch wenn das Konzept der digitalen Zwillinge an einen Science-Fiction-Film denken lässt, wurde das Konzept dieser Technologie bereits vor mehr als 20 Jahren erstmals beschrieben. Vorausschauende Fertigungsunternehmen haben kontinuierlich erforscht, wie sie die Virtual-Reality-Entwicklung einsetzen können, um die Anlagenleistung zu optimieren und die Produkte zu verbessern.
Der lang erwartete Hype um digitale Zwillinge hat jedoch erst vor kurzem begonnen. Wie auch bei anderen Aspekten der digitalen Transformation in der Fertigung lässt sich dieser Anstieg des Interesses weitgehend mit den Fortschritten bei der Rechenleistung, der Cloud, den Big-Data-Anwendungen und der Zugänglichkeit von IoT-Sensoren erklären. Und mit der Möglichkeit, enorme Datenmengen mit einem Data-Lake oder einer Data-Fabric-Lösung zu speichern und zu verarbeiten, ist es nun möglich, Produkte und Prozesse viel detaillierter zu simulieren - und genau darum geht es beim digitalen Zwilling.
Was ist ein digitaler Zwilling?
Kurz gesagt, ist ein digitaler Zwilling ein digitales Abbild eines physischen Objekts, das die aktuellen und historischen Bedingungen des Objekts simuliert. Das Profil des Objekts wird mit Hilfe einer Vielzahl von Datenpunkten erstellt, die von den am Objekt installierten Sensoren erfasst und zur weiteren Analyse an ein Cloud-basiertes System gesendet werden. Kurz gesagt, gibt es vier Technologien, die einen digitalen Zwilling ausmachen:
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IoT-Sensoren zur Erfassung von Daten über das physische Objekt
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XR, um physische Objekte in 3D zu visualisieren
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Cloud zur Speicherung der von IoT-Sensoren erfassten Daten
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AI und ML-basierte Fertigungstools, um Objektdaten zu analysieren, Erkenntnisse zu gewinnen und Vorhersagen zu treffen
Die Rolle eines digitalen Zwillings in einer modernen Produktionsanlage
Der Hauptvorteil digitaler Zwillinge in der Fertigung ist ihre Fähigkeit, automatisch und ohne Zutun der Mitarbeiter umfassende Informationen über die Leistung von Anlagen oder Produkten zu liefern. Darüber hinaus können Fabriken die vom physischen Zwilling gelieferten Daten mit Hilfe moderner ML-Algorithmen schnell analysieren und in umsetzbare Erkenntnisse umwandeln, indem sie die heutigen Rechenkapazitäten nutzen. Vor der Einführung der digitalen Zwillinge war ein solches Maß an Kontrolle in der Fertigung unerreichbar.
Die verarbeitende Industrie gehört zu den Branchen, die so komplex sind, wie sie aussehen. In den Betrieben gibt es in der Regel hochkomplexe Maschinen, die ständig miteinander interagieren. Diese Komplexität verstellt den Blick dafür, was am Produktionsstandort verbessert werden kann und vor allem wie.
Mit Tausenden von Sensoren, die im gesamten Werk installiert sind und ständig Daten an eine digitale Zwillingsanwendung übermitteln, können Hersteller wichtige Erkenntnisse über die Leistung des Systems sammeln und evidenzbasierte Anpassungen am Arbeitsablauf des Werks vornehmen. Darüber hinaus können moderne Sensoren Daten über eine Vielzahl von Merkmalen sammeln, die von der Dicke der Anlage über die Temperatur bis hin zu den allgemeinen Umgebungsbedingungen in der Anlage reichen.
Ein digitaler Zwilling kann Herstellern dabei helfen, die Vergangenheit zu verstehen, die gegenwärtigen Bedingungen zu betrachten und zukünftige Probleme zu vermeiden, indem er fundierte Entscheidungen durch Einblicke, Analysen, Simulationen und Vorhersagen ermöglicht.
Mit Hilfe von Sensoren können digitale Zwillinge Anlagen außerhalb der Produktionsstätte überwachen. So kann beispielsweise ein Automobilwerk beurteilen, wie sich verschiedene Fahrzeugkomponenten abnutzen oder unter extremen Bedingungen funktionieren. Diese Erkenntnisse können genutzt werden, um das zukünftige Produktdesign zu verbessern. Ein digitaler Zwilling ermöglicht es den Herstellern auch, ohne wirtschaftliche Risiken mit unkonventionellen Designentscheidungen zu experimentieren und Innovationen voranzutreiben.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein digitaler Zwilling es den Herstellern ermöglicht, alte Herausforderungen zu überwinden und verschiedene geschäftliche Anforderungen auf einmal zu erfüllen.
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Die wichtigsten Anwendungsfälle des digitalen Zwillings in der fertigung
Im Kontext der fertigung können digitale Zwillinge auf vielfältige Weise eingesetzt werden. Lassen Sie uns erkunden, wie genau einige der weltweit führenden Fertigungsunternehmen digitale Zwillinge zu ihrem Vorteil nutzen.
Anwendungsbeispiele für digitale Zwillinge in der Fertigung
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Innovation fördern Digitale Zwillinge ermöglichen es den Herstellern, Prototypen zu erstellen und neue Produkte kostengünstig zu testen, was Innovationen fördert. |
Steigerung der Effizienz Durch die Modellierung hochkomplexer Prozesse in ihren Werken können Hersteller Ineffizienzen leicht feststellen und beheben. |
Vorausschauende Wartung ermöglichen Digitale Zwillinge ermöglichen es Fertigungsunternehmen, den Zustand ihrer Anlagen proaktiv zu überwachen, potenzielle Ausfälle zu erkennen und Ausfallzeiten zu reduzieren. |
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Optimierung der Produktleistung Durch die Verfolgung des Produkts, selbst wenn es das Werk verlässt, erhalten die Hersteller Einblicke zur Optimierung der Leistung. |
Verkürzung der Markteinführungszeit Mit Hilfe eines digitalen Zwillings können Unternehmen die Produktqualität und -leistung beurteilen, bevor das Produkt in die Produktion geht, und so die Zeit bis zur Markteinführung verkürzen. |
Verbesserung der Produktqualität
Aufgrund des ständig steigenden Bedarfs an Arzneimitteln und insbesondere an Impfstoffen haben sich Atos, GlaxoSmithKline und Siemens zusammengeschlossen, um die pharmazeutische Produktion zu verändern.
Konventionell können Pharmaunternehmen die Produktqualität erst nach der Herstellung beurteilen, was bedeutet, dass bei einem schlechten Ergebnis die gesamte Charge verworfen werden muss, was zu einer Verschwendung von Zeit und Material führt. Digitale Zwillinge ermöglichen die Bewertung der Produktqualität mitten in der Produktion und helfen den Herstellern, die Abläufe umgehend zu optimieren und die Qualitätskriterien zu erfüllen.
Zusammen mit Siemens hat Atos einen digitalen Zwilling implementiert, der Daten über jede Phase des Impfstoffherstellungsprozesses sammelt. Dieser digitale Zwilling ermöglichte es dem Pharmaunternehmen, die Produktqualität erheblich zu verbessern, die Kosten zu senken und die Markteinführungszeit zu verkürzen. Darüber hinaus kann das Pharmaunternehmen nun auch Änderungen in der Produktion simulieren und klar erkennen, wie sich diese auf das Endprodukt auswirken.
Vorhersage von Produktfehlern
Um der steigenden Nachfrage nach seinen branchenführenden Schraubenkompressoren gerecht zu werden, entschied sich Kaeser, einen digitalen Zwilling in seine neuen Produktionsanlagen zu integrieren. Im Fall von Kaeser müssen die Produkte die Anforderungen eines bestimmten Kunden erfüllen, was die Qualitätskontrolle erheblich erschwert. Die Kompressionssysteme haben eine beträchtliche Anzahl von Parametern, die für jeden Kunden angepasst werden müssen. Darüber hinaus können die Kunden von Kaeser je nach Umgebung zwischen Luft- und Wasserkühlung wählen und ihren Kompressor mit einem Trockner oder einem Wärmerückgewinnungssystem ausstatten.
Mit Hilfe eines digitalen Zwillings können die Kaeser-Mitarbeiter die genauen Prüfroutinen für das Produkt ermitteln, bevor es montiert wird. Sobald ein Kompressor die Montagelinie verlässt, werden die Prüfabläufe per Knopfdruck gestartet. Stimmen die Ergebnisse nicht mit den geforderten Kriterien überein, informiert das System einen Bediener, der die Kompressorparameter manuell anpasst.
Der Einsatz des digitalen Zwillings geht bei Kaeser auch über die eigene Fertigung hinaus. Jedes freigegebene Druckluftsystem wird ebenfalls durch einen digitalen Zwilling virtuell nachgebildet. Dadurch können die Bediener den Zustand jedes einzelnen Kompressors überwachen, was eine Fernerkennung möglicher Fehler und eine rechtzeitige Wartung ermöglicht. Dadurch wird die Lebensdauer des Produkts erheblich verlängert, die Kundenzufriedenheit erhöht und die Wartungskosten gesenkt.
Verkürzte Markteinführungszeit
Bei der Produktion von Luxusautos gibt es keinen Platz für Kompromisse bei der Qualität. Andererseits kann eine sorgfältige Qualitätskontrolle recht zeitaufwändig sein. Um den Entwicklungsprozess zu beschleunigen, ohne dabei Abstriche zu machen, hat Maserati, einer der renommiertesten Automobilhersteller der Welt, in Zusammenarbeit mit Siemens einen digitalen Zwilling in seinen Fertigungsprozess integriert.
Mit Hilfe der PLM-Software von Siemens können die Maserati-Ingenieure nun Daten aus der virtuellen Kopie des Autos nutzen, um ihre Entwicklung kontinuierlich zu optimieren. Die herkömmliche Methode zur Beurteilung der Aerodynamik eines Fahrzeugs sieht beispielsweise vor, einen physischen Prototyp zu bauen und diesen in den Windkanal zu stellen. Mit dem digitalen Zwilling können solche Tests virtuell durchgeführt werden, was die Kosten erheblich senkt und aufwändigere Experimente mit der Aerodynamik des Autos ermöglicht.
Dank NX können wir jetzt Analyseergebnisse erzielen, die wir bis vor kurzem nur durch den Bau von physischen Prototypen erreichen konnten
Durch die Einführung des digitalen Zwillings ist es Maserati gelungen, die Betriebskosten und die für die Fahrzeugentwicklung erforderliche Zeit um beeindruckende 30 % zu senken. Dank des digitalen Zwillings konnte das Unternehmen auch die Zeit bis zur Markteinführung um 16 Monate verkürzen.
Verbesserung der Benutzererfahrung
Zunächst wollte Stara, ein in Brasilien ansässiger Hersteller von Landmaschinen, digitale Zwillinge einsetzen, um die Leistung zu verbessern und die Wartung seiner Landmaschinen zu optimieren. Durch die Installation von IoT-Sensoren an Traktoren und anderen landwirtschaftlichen Maschinen konnte das Unternehmen den Weg eines Traktors, die Geschwindigkeit, den Kraftstoffverbrauch und den Motorzustand überwachen. Dadurch konnte Stara Maschinenausfälle vorhersagen und die Betriebszeit der Geräte verlängern.
Während Stara die Vorteile digitaler Zwillinge zur Leistungssteigerung nutzte, entdeckte das Unternehmen, dass diese Technologie auch die Nutzung der Maschinen durch die Landwirte optimieren kann. Eingebettete IoT-Sensoren erfassen nun sowohl Wetter- als auch Bodeneigenschaften und helfen den Landwirten, die besten Bedingungen für die Aussaat von Pflanzen zu ermitteln.
Beschleunigung der Produktentwicklung
In Unternehmen der Reifenherstellung erleichtert ein digitaler Zwilling die Produktentwicklung und -prüfung ohne den Bau von Prototypen. Neben der Verkürzung der Markteinführungszeit und der Verringerung der Entwicklungskosten ermöglicht es der Wegfall des physischen Prototypenbaus den Herstellerunternehmen, die negativen Auswirkungen auf die Umwelt zu verringern, die durch den Abfall von Prototypen entstehen.
Außerdem haben sich digitale Zwillinge für Unternehmen der Reifenherstellung als besonders vorteilhaft erwiesen, um die Zusammenarbeit mit anderen Unternehmen der Automobilindustrie zu optimieren. So nutzt Bridgestone, der weltweit führende Reifenhersteller, jetzt einen digitalen Zwilling, um virtuelle Repliken kommender Produkte zur Genehmigung mit seinen Partnern zu teilen. Der Direktor für Datenwissenschaft des zweitgrößten Reifenherstellers der Welt, Michelin, ist ebenfalls der Ansicht, dass der digitale Zwilling ein enormes Potenzial für den Aufbau hocheffizienter Partnerschafts-Ökosysteme hat, die es Unternehmen ermöglichen, Entwicklungsdaten nahtlos miteinander zu teilen.
Michelin wiederum nutzt einen digitalen Zwilling, um verschiedene Reifendesigns zu testen und Geräteausfälle vorherzusagen. Genauer gesagt nutzt das Unternehmen diese Technologie, um das Verhalten von Reifen auf nassen Straßen zu simulieren und so ein optimales Profildesign zu ermitteln. Die Ingenieure von Siemens, dem wohl bekanntesten Anbieter von digitaler Zwillingstechnologie in der Automobilbranche, behaupten ebenfalls, dass es möglich ist, das Verhalten von Reifen auf verschiedenen Oberflächen und bei unterschiedlichen Wetterbedingungen zu simulieren.
Der digitale Zwilling ist zweifellos ein Schlüsselfaktor für Effizienzsteigerungen in der gesamten technischen Kette
Erfinden Sie Ihre Fertigung mit einem digitalen Zwilling neu.
Abschließende Gedanken
Der digitale Zwilling ist unbestreitbar die neue wesentliche Technologie in der fertigung. Seine Fähigkeit, die Wertschöpfung zu steigern, die Zeit bis zur Markteinführung zu verkürzen, die Leistung der Anlagen vor Ort und des Endprodukts zu optimieren und Einblicke zu gewähren, wird wohl von keiner anderen Lösung erreicht werden. Angesichts der sinkenden Kosten, der zunehmenden Zahl von Anbietern und der besseren Zugänglichkeit der fortschrittlichen Technologien, die den digitalen Zwilling ausmachen, sollte die Integration des digitalen Zwillings der nächste logische Schritt für Hersteller in aller Welt sein.
Es ist jedoch auch erwähnenswert, dass Unternehmen mit hochkomplexen Prozessen, bei denen Innovation und die Verbesserung oder Erweiterung der Produktpalette im Vordergrund stehen, am meisten von einem digitalen Zwilling profitieren werden. Diese Technologie ist keineswegs billig oder einfach zu implementieren, da sie oft eine komplette Umgestaltung der Organisationsstruktur und erhebliche Änderungen der Arbeitsabläufe in der Fertigung erfordert.
