Digitale Zwillinge: Ein Leitfaden für Hersteller

Mit der zunehmenden Verbreitung des Internets der Dinge (IoT) in industriellen Umgebungen und intelligenten Fertigungssystemen haben Unternehmen zunehmend versucht, diese Tools zu nutzen, um ihre Arbeitsabläufe zu verbessern und ihre Produktivität und Effizienz zu steigern.

Ein Trend, der in den letzten Jahren zugenommen hat, ist die Verwendung von digitalen Zwillingen, um physische Objekte in einer Produktionsumgebung mit digitalen Systemen zu verbinden und so die Produktentwicklung zu verbessern. Laut Deloitte werden die Investitionen in die Technologie des digitalen Zwillings bis 2023 voraussichtlich auf 16 Milliarden Dollar ansteigen.

In diesem Beitrag befassen wir uns mit der Geschichte der digitalen Zwillinge, wie sie in der verarbeitenden Industrie eingesetzt werden und welche Vorteile sie Unternehmen bieten, wenn es darum geht, kontinuierlicher Verbesserungsprozess.

Ein digitaler Zwilling ist eine dynamische, virtuelle Darstellung oder ein Modell eines Teils, eines Objekts, einer Maschine oder sogar eines ganzen Produktionsprozesses. Er besteht aus dem physischen Objekt selbst, der virtuellen Darstellung des Objekts und den Verbindungsfunktionen, die den Datenaustausch zwischen dem physischen und dem virtuellen Objekt ermöglichen.

Aufgrund seiner interaktiven, dynamischen Funktionalität geht ein digitaler Zwilling über eine einfache digitale Blaupause hinaus und umfasst alle Elemente und die Dynamik, wie ein Objekt in der realen Welt existiert und funktioniert.

Dies gibt Menschen die Möglichkeit zu sehen, wie ein physisches Objekt unter verschiedenen Bedingungen und Umständen reagieren würde, während sie Echtzeitdaten aus der physischen Welt nutzen, allerdings in einer virtuellen Umgebung.

Um Daten zu sammeln, verwenden digitale Zwillinge eine Kombination aus virtueller und erweiterter Realität, um Objekte zu visualisieren, sowie IoT Geräte und Sensoren, um Daten aus der Umgebung zu sammeln, in der die physische Umgebung existiert. Dadurch wird sichergestellt, dass der digitale Zwilling ein Objekt oder einen Prozess zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Fabrikhalle genau abbildet.

Aufgrund dieser Eigenschaften kann ein digitaler Zwilling in der Fertigung auf eine einzelne kritische Komponente oder eine ganze Maschine angewendet werden. In einer erweiterten Anwendung kann die Technologie auch verwendet werden, um eine ganze Produktionslinie und sogar den gesamten Produktionsbetrieb abzubilden und im Auge zu behalten.

Das Konzept der digitalen Zwillinge wurde erstmals in dem 1991 erschienenen Buch Mirror Worlds von David Gelernter vorgestellt. Darin beschreibt er "Mirror Worlds" als High-Tech-Voodoo-Puppen, digitale Darstellungen großer physischer Umgebungen (Schulen, Krankenhäuser, Städte), die mit einem Desktop-Computer manipuliert werden können und mit denen man interagieren kann.

Während Gelernters Schriften weitgehend spekulativ waren und Prognosen für die ferne Zukunft enthielten, dauerte es nicht lange, bis Technologen begannen, das Konzept ganz real anzuwenden. So begann Dr. Michael Grieves im Jahr 2002 damit, Wege zur praktischen Anwendung der Technologie in der Fertigungsindustrie zu finden. Er entwickelte ein Modell, das alle Elemente eines digitalen Zwillings auf ein Produktlebenszyklusmanagement anwendet Anwendungsfall.

Der Begriff "digitaler Zwilling" wurde 2010 von John Vickers in einem NASA-Bericht mit dem Titel Technologiebereich 12: Materialien, Strukturen, Mechanische Systeme und Fertigungsfahrplan. Seitdem wird er in zahllosen verschiedenen Branchen eingesetzt, um Menschen die Interaktion mit physischen Produkten und Umgebungen über ein nahtloses, digitales Medium zu ermöglichen.

Eines der häufigsten Beispiele, um das Konzept des digitalen Zwillings zu erklären, ist eine Windturbine. Windturbinen können in einer Reihe von verschiedenen Umgebungen eingesetzt werden, sowohl an Land als auch auf See, in einer Vielzahl von unterschiedlichen Klimazonen, Temperaturen, Wetterbedingungen usw.

Dies stellt eine große Herausforderung für Energieunternehmen dar, die versuchen zu prognostizieren, wie viel Energie eine bestimmte Windturbine angesichts der erheblichen Schwankungen in der physikalischen Umgebung, in der die Turbine aufgestellt ist, produzieren kann.

Damit das Energieunternehmen genauer prognostizieren kann, wie eine Turbine in der jeweiligen Umgebung funktionieren wird, könnte es einen digitalen Zwilling bauen, der es ihm ermöglicht, Echtzeitdaten von Sensoren an der physischen Turbine zu sammeln, die Daten in eine digitale Nachbildung der Turbine einzuspeisen und verschiedene Modelle der künstlichen Intelligenz laufen zu lassen, um verschiedene Bedingungen zu testen, denen die Turbine ausgesetzt sein könnte.

Dies ermöglicht eine viel genauere Vorhersage der Funktionsfähigkeit und Leistung der Turbine über einen bestimmten Zeitraum.

Das gleiche Konzept kann auf eine beliebige Anzahl von physischen Produkten angewandt werden und gibt Herstellern eine genauere Möglichkeit zur Vorhersage, wie ihre Produkte unter den verschiedenen Umgebungen und Bedingungen, denen sie ausgesetzt sein können, funktionieren werden.

Verschiedene Produktionsbetriebe haben unterschiedliche Anforderungen und Systeme, die für ihre Produktionsprozesse spezifisch sind. Aus diesem Grund können Hersteller die Technologie des digitalen Zwillings auf ganz unterschiedliche Weise anwenden, was zu unterschiedlichen Ergebnissen führt, die nur für die jeweilige Produktionseinheit gelten.

Hier finden Sie einige Möglichkeiten, wie Hersteller die Technologie des digitalen Zwillings nutzen, um ihre Abläufe zu verbessern.

Testen und Bewerten von Prototypen: Unternehmen, die innovative Fertigungstechniken einsetzen, ziehen digitale Zwillinge physischen Prototypen vor. Erstere lassen sich leichter manipulieren, um Änderungen und Nachbesserungen einzubauen, was Produktdesign und -verbesserung zu einem effizienteren Prozess macht. Die Integration mit anderen Systemen stellt außerdem sicher, dass die Test- und Bewertungsprozesse auf korrekten und genauen Daten beruhen.

Verbesserung des Designs von Produktionssystemen: Die Anwendungen des digitalen Zwillings umfassen mehr als nur einzelne Produkte. Stattdessen umfassen sie auch ganze Produktionssysteme.

Hersteller verwenden digitale Zwillinge, um vorgeschlagene Produktionsliniensysteme und -layouts zu analysieren, so dass sich das Personal vor Beginn der Installation ein genaueres Bild machen kann. So können Hersteller beispielsweise Daten aus digitalen Zwillingen verwenden, um Simulationen von Produktionslinien durchzuführen, um mögliche Schwachstellen im System zu erkennen und zu beheben.

Darüber hinaus nutzen Hersteller digitale Systeme, um einen optimierten Überblick über die Prozesse außerhalb der Fabrik zu haben, einschließlich der Liefer- und Versorgungsketten.

Anlagenüberwachung und vorbeugende Wartung: Diese Technologie wird in großem Umfang für Anlagen in der Fabrik eingesetzt. Digitale Zwillinge von Maschinen bieten ein genaues virtuelles Äquivalent in Echtzeit, das dem Wartungspersonal Parameter über den Zustand und die Leistung der Anlagen liefert.

Mit den KI- und machine learning -Fähigkeiten von Industrie 4.0 können digitale Zwillinge auf drohende Ausfälle hinweisen, so dass die Hersteller ihnen zuvorkommen können.

Das Wartungspersonal kann dann eine Augmented-Reality-Brille verwenden, um die genauen Modelle zu visualisieren, die über die reale Maschine auf dem Boden gelegt werden. So erhält der Techniker präzise Formen und Spezifikationen, auf die er sich bei seiner Arbeit stützen kann.

Während die vierte industrielle Revolution voranschreitet, setzen intelligente Fabriken immer mehr Technologien ein, um ihre Produktionsabläufe profitabler zu gestalten. Die Technologie des digitalen Zwillings ist ein Ansatz, der solchen Fertigungsunternehmen zahlreiche Vorteile bietet.

Diese Vorteile umfassen:

• Bessere Produktionseffizienz: Simulationen von Produktionslinien, die mit Hilfe von digitalen Zwillingen durchgeführt werden, identifizieren mögliche Engpässe im Betrieb und ermöglichen es Herstellern, ihr System für eine bessere Produktivität und Produktionseffizienz zu optimieren.

• Verbesserte Gesamtanlageneffektivität: Hersteller nutzen digitale Zwillinge für ihr Asset Lifecycle Management. Durch die ständige Überwachung in Echtzeit können sie Ausfällen von Anlagen zuvorkommen, indem sie eine vorausschauende Wartung ermöglichen.

• Verbesserte Produktqualität: Digitale Zwillinge spielen eine wichtige Rolle bei Produktdesign und Prototyping. Die Technologie bietet detaillierte Einblicke, die es den Herstellern ermöglichen, ideale Produkte für ihre Kunden zu entwickeln und die Qualitätsmanagement Praktiken zu verbessern.

• Effizienteres logistisches Management: Der Einsatz digitaler Zwillinge zur Planung und Überwachung des gesamten Betriebs bietet aufschlussreiche Einblicke in den übergreifenden Produktionsprozess des Unternehmens. Dadurch erhalten Hersteller eine bessere und effizientere Kontrolle über die Liefer- und Versorgungsketten.

• Verbesserung der Gesamtrentabilität des Unternehmens: Diese Vorteile laufen auf eine verbesserte Rentabilität des Fertigungsgeschäfts hinaus. Das Unternehmen gibt weniger Geld für Reparaturen und Umrüstungen aus und stellt seine Kunden mit besseren Produkten und einer besseren Auftragsabwicklung zufrieden.

Auch wenn das Konzept des digitalen Zwillings abschreckend und kompliziert erscheinen mag, kann die Technologie in einer Reihe von verschiedenen Anwendungsfällen eingesetzt werden, die den Herstellern wirklich erhebliche Vorteile bringen. Und obwohl diese Technologie erst seit kurzem in der gesamten Branche eingesetzt wird, wird prognostiziert, dass die Funktion des digitalen Zwillings bis 2025 in etwa 88 % der Plattformen von IoT zum Standard gehören wird.

Da die Technologie immer mehr Verbreitung findet, ist es für Unternehmen sinnvoll zu wissen, wie sie digitale Zwillinge zur Unterstützung ihrer Geschäfte aufbauen können. Hier sind einige Empfehlungen von Experten aus der Branche:

1. Definieren Sie den Zweck und den Umfang des Projekts klar - Was wollen Sie mit Ihrem digitalen Zwilling widerspiegeln? Wie wird sich die Technologie auf die Art und Weise auswirken, wie Sie derzeit Ihre Geschäfte abwickeln? Bei jedem größeren Projekt ist es wichtig, den Zweck der Implementierung einer Technologie zu verstehen und die Erwartungen der wichtigsten Interessengruppen klar zu kommunizieren.

2. Verstehen Sie die Werkzeuge, die für das Projekt benötigt werden - Die Erstellung eines digitalen Zwillings erfordert ein breites Spektrum an unterschiedlicher Software und Hardware, um ein genaues Echtzeitmodell zu erstellen, mit dem interagiert werden kann. Die Ausrüstung kann eine beliebige Anzahl von IoT Geräten, Sensoren und Monitoren umfassen, und die Software kann 3D-Lösungen CAD zum Entwurf des Modells sowie IoT Plattformen zur Darstellung des eigentlichen Zwillings umfassen. Das Verständnis der tatsächlichen Anwendung Ihres digitalen Zwillings wird Ihnen helfen, die verschiedenen Geräte und Lösungen zu bestimmen, die Sie für Ihr Projekt benötigen.

So können Sie vorgehen:

1. Verwenden Sie digitale Lösungen für computergestütztes Design (CAD), um virtuelle 3D-Zwillingsrepliken zu erstellen, die mit anderen digitalen Werkzeugen für die Fertigung verbunden werden können.

2. Die digitalen Fertigungstools nutzen das Internet der Dinge, um Daten von den Geräten in der Produktion zu erhalten und diese in Echtzeit in die Software des digitalen Zwillings einzuspeisen.

3. Diese Software, die auch als Spiel-Engine bezeichnet wird, rendert die Daten und wendet fortschrittliche Physik an, um einen verständlichen digitalen Zwilling zu schaffen, der die Eingaben von IoT in Echtzeit wiedergibt.

4. Die Software für den digitalen Zwilling Ihrer Wahl sollte über Versionskontrollfunktionen verfügen. Dadurch werden alle Änderungen am digitalen Zwilling synchronisiert, so dass alle berechtigten Mitarbeiter auf dieselbe aktuelle Datei zugreifen können.

Zusätzlich zu den digitalen Zwillingen suchen die Hersteller ständig nach neuen Möglichkeiten, kontinuierlicher Verbesserungsprozess in ihren Betrieben voranzutreiben.

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