Digital Twin : Warum in digitalen Zwillingen ungeheures Potenzial steckt

Deloitte geht in einem Whitepaper davon aus, dass in den kommenden fünf Jahren Akteure in den verschiedensten Einsatzgebieten erste digitale Zwillinge und damit verbundene Dienste und Geschäftsmodelle etablieren werden. Laut einer Studie des Technologiekonzerns Detecon haben 36 Prozent der deutschen Unternehmen und Organisationen sogar bereits erste Konzepte für Digitale Zwillinge entwickelt. Um die Einführung der virtuellen Abbildungen in allen Branchen zu forcieren, haben sich kürzlich Ansys, Microsoft, Dell und auch Lendlease zu einem „Digital Twin Consortium“ zusammengetan. Gemeinsam wollen sie Standards für die Entwicklung und Nutzung digitaler Zwillinge definieren.

Diese drei Anwendungsszenarien zeigen, wie die virtuellen Abbildungen eingesetzt werden und welchen Nutzen sie mit sich bringen:

DHL Supply Chain hat für Tetra Pak den ersten digitalen Zwilling eines Lagerhauses in der Asien-Pazifik-Region realisiert. Das Lager in Singapur ist eines der größten Tetra Pak-Lager weltweit und zudem das erste Smart Warehouse für DHL im asiatisch-pazifischen Raum, das auch als digitaler Zwilling existiert. Der digitale Doppelgänger des Tetra Pak-Lagers wird kontinuierlich mit Echtzeitdaten des physischen Lagers in Singapur gespeist und aktualisiert sich laufend, um Veränderungen in Echtzeit abzubilden. Angewandt auf Produkte, Maschinen und ganze unternehmerische Ökosysteme, wie hier ein Warenlager, können digitale Zwillinge Daten aus der Vergangenheit aufzeigen, die Gegenwart optimieren und sogar die zukünftigen Entwicklungen vorhersagen.

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„Die gemeinschaftliche Umsetzung einer solchen digitalen Lösung zur Verbesserung der Lager- und Transportaktivitäten von Tetra Pak ist ein hervorragendes Beispiel für die 'Smart Warehouses' der Zukunft. So lassen sich agile, kostengünstige und skalierbare Lieferkettenabläufe ermöglichen“, meint Jerome Gillet, CEO, DHL Supply Chain Singapur, Malaysia, Philippinen. Dafür hat DHL Supply Chain physische Objekte wie beispielsweise die Flurförderfahrzeuge mit Internet of Things-Technologie ausgestattet und führt diese und alle anderen Daten des Lagers in einer virtuellen Darstellung zusammen und wertet sie aus. So wurde für Tetra Pak eine intelligente Lagerlösung geschaffen, die sowohl den physischen Zustand als auch die einzelnen Lagerbestände in Echtzeit überwacht und simuliert. Mit diesem digitalen Doppelgänger ist Tetra Pak in der Lage, den Betrieb rund um die Uhr reibungslos zu koordinieren, mögliche Probleme schnell zu erkennen und so die Sicherheit und Produktivität im Lager zu verbessern. Ein DHL Control Tower überwacht zudem den Wareneingang und -ausgang, um zu gewährleisten, dass die ankommenden Waren innerhalb von 30 Minuten nach Erhalt korrekt eingelagert werden und die ausgehenden Waren innerhalb von 95 Minuten versandbereit sind.

Der Sportwagenhersteller Maserati nutzte beim Bau seines Modells Ghibli die gesamte Bandbreite der PLM Software von Siemens. Der Digitale Zwilling spielte dabei eine besondere Rolle. Premium-Hersteller stehen vor der Aufgabe, effizient, flexibel, individuell, günstig und hochqualitativ zu produzieren. Sie müssen zudem neue Modelle in immer kürzeren Zyklen auf den Markt bringen und aufgrund abnehmender Fertigungstiefe ein immer komplexeres Netzwerk an Zulieferern steuern. Diese Herausforderungen lassen sich nur bewältigen, wenn sie ihre Prozesse in allen Funktionen und auf jeder Ebene durchgängig digitalisieren. Das tat Maserati mit der Siemens PLM Software.

Dahinter steht eine integrierte Lösung, die den gesamten Produktlebenszyklus abdeckt – von der Produktplanung über das Design, das Qualitätsmanagement, das Produktionsmanagement bis hin zu nachgelagerten Services. Maserati nutzt als Teil dieses Pakets das CAD-Programm NX, um seine Autos zu entwickeln, zu formen und Tests zu simulieren. Eine Schlüsselrolle spielt dabei der digitale Zwilling, der sich mit der Siemens-Software erzeugen lässt. Er war auch für die Entwicklung des Maserati Ghibli wichtig: Mit der digitalen Kopie entstand parallel zur physischen Entwicklung des Wagens dessen virtuelles Abbild – originalgetreu bis zur letzten Schraube. Beim Entstehungsprozess verwendeten die Maserati-Entwickler Daten des realen und des virtuellen Modells gleichzeitig, setzten diese parallel zur ständigen Optimierung ein und reduzierten so die Kosten und den Zeitaufwand für die Entwicklung um erstaunliche 30 Prozent. Insgesamt verringerte sich der Zeitraum von der Idee zur Marktreife (Time-to-Market) um 16 Monate. „Dank NX erhalten wir Analyseergebnisse, die wir bis vor Kurzem nur durch den Bau von physischen Prototypen erzielt haben“, sagt Produktentwickler Luca Soriato.

Rollt ein fertiges Bauteil vom Band, ist eine Frage von großem Interesse: Hat das Bauteil die gewünschten Eigenschaften? Denn oftmals reichen bereits kleinste Schwankungen in der Produktion, um Materialeigenschaften zu verändern und damit die Bauteilfunktionalität in Frage zu stellen. Um dies zu vermeiden, werden begleitend zur Produktion immer wieder Proben entnommen und aufs Genaueste untersucht. Ein solches Probenbauteil muss für Versuche in kleine Einzelteile zerlegt und vermessen werden – das benötigt viel Zeit. „Die Geschichte einer Probe verzweigt sich also in viele kleine Äste mit jeweils spezifischen Messergebnissen“, erläutert Christoph Schweizer, Leiter des Geschäftsfelds Werkstoffbewertung, Lebensdauerkonzepte am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg. Die Forscher am Fraunhofer IWM haben nun erstmals die prinzipielle Machbarkeit der digitalen Abbildung vieler solcher Werkstoffhistorien demonstriert: Mit einem Beispiel-Werkstoffdatenraum für additiv gefertigte Prüfkörper.

„Mit dem Datenraumkonzept können wir Werkstoffinformationen jeglicher Art in digitale Netze integrieren – was unter anderem im Hinblick auf Industrie 4.0 wichtig ist“, so Schweizer. „Aus dem Werkstoffdatenraum heraus wollen wir automatisiert zu jedem Werkstoff einen digitalen Zwilling erzeugen, der den jeweils aktuellen Zustand des betrachteten materiellen Objekts beschreibt.“ Der Vorteil: Sollten bisher verschiedene Werkstoff-Parameter miteinander verglichen werden, lagen die Angaben dazu in der Regel verstreut in zahlreichen Datenablagen und in unterschiedlichen Datenformaten vor. Der Werkstoffdatenraum stellt alle relevanten Parameter auf einen Blick zur Verfügung. Und noch mehr als das: „Der Werkstoffdatenraum könnte das Produktions-Gehirn der kommenden Jahre werden. Wann immer die Bauteilqualität nicht wie gewünscht vorliegt, könnte man sie im Werkstoffdatenraum mit Bauteilen aus der Vergangenheit vergleichen und herausfinden, ob sich das aktuelle dennoch verwenden lässt oder aussortiert werden muss“, sagt Schweizer. Diese Ergebnisse könnten künftig automatisch in industrielle Entscheidungsprozesse einbezogen werden: Ist die Werkstoffqualität mangelhaft, wird die Produktion automatisch gestoppt.