Wie genau ein realer digitaler Zwilling in der Industrie entsteht, ist abhängig von der Art des Modells. Es gibt digitale Zwillinge, die nur der Produktsimulation dienen, wieder andere übernehmen die Abläufe in einer Fabrik oder sind für die Planung einer Roboter-Steuerung verantwortlich.
Erstellung eines digitalen Zwillings in der Industrie
Besonders wichtig bei der Erstellung eines digitalen Zwillings ist die Genauigkeit. Um später aussagekräftige und präzise Simulationen zu erhalten, muss der digitale Zwilling das reale Modell möglichst hochauflösend und exakt abbilden. Jeder noch so kleine Fehler beeinflusst die Berechnungen und wirkt sich negativ auf die Simulation von realen Prozessen aus.
Das gilt sowohl für ungenaue Abbildungen von Objekten wie in etwa einem technischen Produkt, als auch fehlerhafte Daten beim digitalen Zwilling einer Lieferkette. Beides wirkt sich negativ auf Berechnungen aus und schmälert den Nutzen, den ein digitaler Zwilling in den jeweiligen Bereichen bringen kann.
Die Industrie greift daher auf zahlreiche hochpräzise Messmethoden zur Erstellung eines digitalen Zwillings zurück. Dazu zählen Lasermessgeräte, Drohnen, Scanner und vieles mehr. Häufig wird bei der Darstellung von Produkten oder Produktionsanlagen mittels einer hochauflösenden Kamera eine Punktwolkegeneriert und anschließend in ein 2D- oder 3D-Modell umgewandelt. So erhält man ein hochpräzises Bild des realen Objekts am Computer. In diesem Modell werden weitere Informationen ergänzt. Darunter technische Merkmale, funktionsrelevante Daten und Informationen, die das Verhalten des Objekts beschreiben. Darüber hinaus lassen sich auch Faktoren integrieren, die außerhalb des eigentlichen Objekts liegen. Dazu zählen – im vorangegangenen Beispiel des Autos – Umwelteinflüsse, Straßenbeschaffenheit und vieles mehr.
Digitaler Zwilling – Erstellung und Nutzen für die Industrie
Vorteile des digitalen Zwillings für die Industrie 4.0
Der digitale Zwilling ist ein entscheidendes und mittlerweile unverzichtbares Werkzeug bei der Automation von Systemen und Abläufen. Aufgrund der Wichtigkeit automatisierter Prozesse für die Industrie 4.0 kommt er insbesondere dort zum Einsatz. Es lassen sich reale Prozesse durchlaufen, ohne dabei das eigentliche Objekt zu verwenden. Bei allen Einsatzbereichen ist dieser Weg von großem Vorteil für die Entwicklung und Optimierung.
Ein digitaler Zwilling sorgt nicht nur für eine deutlich verbesserte Effizienz, sondern auch für einfachere und übersichtlichere Veranschaulichung. Eigenschaften und Funktionen müssen nicht an teuer und aufwendig entwickelten Prototypen getestet werden, sondern werden einfach am Computer durchgeführt.
Das Abbild des Objekts liefert genaue Informationen darüber, wie sich mögliche Änderungen darauf auswirken und das ursprüngliche Verhalten beeinflussen. Ingenieure haben so die Möglichkeit, neue Konzepte und Vorschläge schneller auf der Wirksamkeit und eventuelle Fehler zu testen und nötige Anpassungen direkt vorzunehmen. Gleiches gilt für Wartungsarbeiten oder Erneuerungen an Objekten.
Wenn diese Tests und Entwicklungen direkt am realen Objekt, oft ein empfindlicher und kostenintensiver Prototyp – durchgeführt werden, gestalten sie sich deutlich aufwendiger.
Gleichzeitig eliminiert der digitale Zwilling die Risiken, die mit Realtests verbunden sind. Dazu zählen nicht nur materielle Schäden am Objekt, sondern auch die mögliche Verletzungsgefahr für Mitarbeiter und am Objekt Beschäftigte.
Bei der Planung einer Produktionsanlage werden alle Abläufe vorher am Computer simuliert. So kann ein Unternehmen sichergehen, dass im späteren Betrieb kein Mitarbeiter durch eine fehlerhaft arbeitende Maschine gefährdet oder sogar verletzt wird.
Solche Simulationen und Prüfungen wären ohne einen digitalen Zwilling mit sehr viel Zeitaufwand verbunden. Zudem müsste eine weitaus größere Menge an Personal mit der Aufgabe betreut werden, um sie erfolgreich umzusetzen. Für die Tests an einem digitalen Zwilling reicht eine einzelne Arbeitskraft aus, die über eine anschauliche Simulation die volle Kontrolle übernehmen kann.
Exakt abgestimmte Simulationsprogramme erkennen jeden noch so kleinen Fehler in der Entwicklung und Planung. So bleiben spätere Umbauten durch Fehlplanung erspart. Diese könnten unter Umständen sehr teuer und aufwendig werden. Solchen Risiken sind Unternehmen, die mit digitalen Zwillingen arbeiten, gar nicht erst ausgesetzt.
Bessere Kommunikation und genauere Auswertung
Doch die Vorteile eines digitalen Zwillings reichen noch weiter. So können Projekte dank der digitalen Abbildung deutlich einfacher geteilt werden. Das ermöglicht die Zusammenarbeit mehrerer Mitarbeiter am gleichen Projekt. Auch Subunternehmen oder andere Zuarbeitende erhalten so einen einfacheren Zugriff auf die Planung und müssen zur Besichtigung eines Objekts nicht extra anreisen. Computerprogramme können Maße, Prozesse und Projekte allgemein deutlich einfacher auswerten. Mit der entsprechenden Rechenleistung kontrolliert ein PC in Sekundenschnelle ein gesamtes Objekt genau nach den Vorgaben, die vorab eingestellt wurden. In der Praxis nimmt solch eine Kontrolle gut und gerne mehrere Stunden in Anspruch und gestaltet sich weitaus anspruchsvoller. Auch die aus der Simulation erlangten Daten können schnell und einfach geteilt werden.
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Industrie 4.0 ist aktueller denn je. Mittlerweile sind fortschrittliche Technologien und insbesondere die Automation Grundvoraussetzung um in bestimmten Branchen auf dem Markt mitzuhalten und überhaupt eine Chance zu haben. Ein elementarer Bestandteil davon ist der Digitale Zwilling. Es handelt sich dabei um ein virtuelles beziehungsweise digitales Abbild von Objekten und Systemen in der realen Welt. Ohne den Digitalen Zwilling wäre die Umsetzung von Industrie nicht nur deutlich aufwendiger, sondern im heutigen Stil und Umfang überhaupt nicht möglich.
Was ist ein digitaler Zwilling? – Definition und Erklärung
Der digitale Zwilling (auch digitaler Twin) ist eine virtuelle Abbildung eines real existierenden Objekts oder Systems. Dabei werden alle realen Eigenschaften in ein digitales Modell übertragen. Ein digitaler Zwilling dient zur Veranschaulichung realer Prozesse und ist zentraler Bestandteil für die Industrie 4.0. Zu den Eigenschaften zählen sowohl Maße, Haptik und Farbgebung als auch die Inhalte und Funktionen eines erfassten Objekts. Zudem stehen Konstruktionspläne, Objektzeichnungen oder Bildmaterial zur Verfügung. Ein entsprechendes Computerprogramm verarbeitet und speichert diese Daten und errechnet daraus eine bildliche Simulation des Objekts. Diese kann nicht nur die reinen Äußerlichkeiten, sondern auch Bewegungsabläufe und das allgemeine Verhalten, zum Beispiel bei äußeren Belastungen, abbilden.
Zu einem vollständigen digitalen Zwilling gehören außerdem auch Zugriffsverwaltungen und IT-Sicherheit sowie Versionsmanagement und Kompatibilitätstests. Gleichzeitig ermöglichen digitale Zwillinge einen übergreifenden Datenaustausch.
Solch eine Simulation ist nicht mit einem 3D Modell zu verwechseln. Zum einen kann der digitale Zwilling real vernetzt werden und Dinge in Echtzeitabbilden, zum anderen lassen sich damit weit mehr Dimensionen abbilden als mit einem 3-dimensionalen Modell.
Beispiele für einen digitalen Zwilling
Ein digitaler Zwilling kann zu jedem Objekt oder System der realen Welt erstellt werden. Grundsätzlich sind die Möglichkeiten also unbegrenzt.
Ein anschauliches Beispiel für einen digitalen Zwilling ist in etwa die Abbildung einer Industriehalle. Dabei werden sowohl alle äußeren Eigenschaften und Gebäudestrukturen – Farbe, Form, Maße, Größe, und so weiter – sowie alle darin enthaltenen Komponenten digital abgebildet.
Die einzelnen Objekte und Bestandteile der Industriehalle stellen jeweils einen eigenen digitalen Zwilling dar. So gibt es zum Beispiel digitale Zwillinge für Industrieroboter, Förderbänder, Regal- und Lagersysteme sowie alle weiteren Komponenten der Industriehalle. All diese Objekte werden mit der Gesamtheit ihrer Eigenschaften, Funktionen und Abläufe digital erfasst und dargestellt.
Der digitale Zwilling der Industriehalle beinhaltet neben den grundlegenden Eigenschaften der Halle auch alle Zwillinge der darin stehenden Komponenten sowie deren Zusammenspiel untereinander. Er zeigt, wo und wie diese interagieren und welche Abläufe zwischen den Objekten ablaufen. So wird die gesamte Industriehalle 1:1 digital abgebildet.
Ein digitaler Zwilling muss aber nicht ein weit vernetztes Objekt wie eine Industriehalle darstellen. Genauso gut kann er einfache Bauteile oder Produkte abbilden. Objekte müssen aber nicht real existent sein, sondern können auch abstrakter definiert werden.
So lässt sich selbst ein komplettes Logistik-Netzwerk digital darstellen. Informationen über die Struktur des Unternehmens werden mit Daten zum Standort und den aktuellen Kapazitäten kombiniert. Sämtliche Interaktion der verschiedenen Abteilungen untereinander sowie Abfahrts- und Ankunftszeiten der Fahrzeuge werden virtuell dargestellt und optimiert.
Anwendungsgebiete und Einsatzbereiche eines digitalen Zwillings
Wie bereits einleitend erwähnt, finden sich zahlreiche Anwendungsgebiete für einen digitalen Zwilling. Die computergestützte Abbildung realer Modelle kommt dabei vorwiegend in der Industrie zum Einsatz.
Die häufigsten Anwendungsgebiete für digitale Zwillinge sind:
Steuerung von digitalen Fabriken und Automatisierungssystemen
Medizin (digitales Abbild von Patienten)
Städte- und Straßenbau
Fazit: Der digitale Zwilling ist Wegbereiter für Industrie 4.0
Alles in allem sorgt ein digitaler Zwilling für massive Kosteneinsparungen und steigert die Effizienz in Entwicklungs- und Optimierungsprozessen. Konkret bedeutet das, dass Unternehmen Produkte schneller entwickeln können, die Planung und Umsetzung von automatisierten Produktionsanlagen enorm erleichtert wird und dass Objekte in ihrer Gesamtheit für Ingenieure einfacher zugänglich sind.
Ohne digitale Zwillinge wäre die Umsetzung von Industrie 4.0 im heutigen Stil nicht möglich, da es Herstellern und Lieferanten nicht nur an Produktions- sowie Entwicklungsressourcen mangeln würde, sondern Prozesse und Logistik durch eine fehlende digitale Abbildung auch viel zu schnell unübersichtlich und undurchschaubar wären.
Das macht den digitalen Zwilling zum Wegbereiter für die Industrie 4.0 und zu einem Schlüsselkonzept für deren zukünftige Entwicklung.
