Zukunfts-Lösung: Digital Twin (Digitaler Zwilling)

Was ist ein digitaler Zwilling (Digital Twin)?

Digital Twin ist ein virtuelles Abbild von Prozessen, Produkten oder Services. Durch die Verbindung eines Digital Twins mit realen Daten lassen sich komplexe Analysen und Simulationen durchführen. Ein digitaler Zwilling begleitet den gesamten Lebenszyklus des Produkts oder Dienstleistung – vom Design über die eigentliche Herstellung bis zum After-Sales und Recycling. Ein virtuelles Produktmodel ermöglicht die Prognose des Verhaltens eines Produktes oder eines Prozesses, seine Leistungsoptimierung und die Implementierung der gewonnenen Erkenntnisse als Entscheidungsgrundlage.

Der Einsatz des digitalen Zwillings bietet Unternehmen einen enormen Nutzen. Die im Vorfeld durchgeführten ausgiebigen Tests reduzieren Fehler und Aufwand, was zur Qualitäts- und Effizienzsteigerung in der Produktion führt. Innovationen lassen sich schneller umsetzen – mit deutlich weniger oder gar keinen physischen Prototypen.

Zum Digital Twin – mit Systems Engineering

Ein modernes Produkt ist ein smartes Produkt – softwaregesteuert und vernetzt. Im Fokus der Produktentwicklung steht heute das Gesamtsystem und nicht mehr wie früher das Produkt als Zusammensetzung einzelner Komponenten. Systems Engineering als ein interdisziplinärer Ansatz erlaubt, die Mechanik, Elektronik, Software oder Systemleistung des Produktes im Vorfeld zu testen und zu optimieren.

Zum digitalen Zwilling – mit Simulation

Die Simulation von Produkten oder Prozessen ermöglicht das Testen mehrerer Varianten und stellt sicher, dass in der Live-Produktion immer der richtige Mix aus Materialien, Technologien, Prozessschritten, Maschinen verwendet wird. Dies reduziert den Aufwand und den Abfall, führt zu erheblichen Kosteneinsparungen und hilft, neue qualitative Produkte schneller auf den Markt zu bringen.

Zum Digital Twin – mit PLM

Das Produktlebenszyklusmanagement (PLM)-System führt sämtliche Informationen aus jeder Phase des Produktlebenszyklus zusammen – seien es beispielsweise CAD-Daten, Produktionsdaten oder Projektmanagementdaten. Diese Infos bilden das Datenrückgrat (Product Data Backbone) des Unternehmens. Sind alle Bestandteile des Produkts in das Produktdatenmodell des PLM-Systems integriert, ist das die ideale Basis für den digitalen Zwilling.

Zum Digital Twin – mit 3DEXPERIENCE

Die 3DEXPERIENCE-Plattform von Dassault Systèmes verfolgt eine ganz neue Strategie bei der Erstellung eines digitalen Zwillings. Mit Hilfe der Plattform lassen sich zuverlässig nicht nur Produkte, sondern auch komplexe Baugruppen, ganze Produktlinien oder Fabriken zuverlässig virtuell testen. Denn die 3DEXPERIENCE vereint in sich alle oben erwähnten Anwendungen, die für die Erstellung eines Digitalen Zwillings  unentbehrlich sind: Model Based Systems Engineering (MBSE), Simulation und PLM als Single Source of Truth.

Zum Digital Twin – mit TECHNIA

„Was ist Digital Twin ? – Anleitung zur Einführung im Unternehmen“
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Was ist Digital Twin?

Der Begriff Digital Twin (Digitaler Zwilling) wird oft im Kontext vom Internet der Dinge (IoT) und von Industrie 4.0 verwendet. Gemeint sein kann das virtuelle Modell eines Prozesses, eines Produkts oder einer Dienstleistung. Im Falle eines Produkts gibt das virtuelle Abbild dessen physikalische Eigenschaften und dessen Verhalten exakt wieder. Grundlage dafür sind eine Vielzahl an Daten (etwa Energieverbrauch und Temperatur), die mit Hilfe von Sensoren erhoben werden. Künstliche Intelligenz und spezielle Software bilden daraus den Digitalen Zwilling.
Der Zweck eines Digital Twins besteht darin, das reale Objekt oder System zu überwachen, zu analysieren, zu steuern und zu optimieren. Damit können Vorhersagen von Verhaltensweisen und „Was-wäre-wenn“-Szenarien durchgeführt werden

Aus welchen Komponenten besteht ein Digital Twin?

Ein Digitaler Zwilling besteht aus drei Elementen: dem physischen Produkt in der realen Welt, einem digitalen Zwilling in dem virtuellen Raum und Informationen, die diese Zwillinge miteinander verbinden.

Wo werden digitale Zwillinge eingesetzt?

Grundsätzlich ist ein Digitaler Zwilling in sämtlichen Wirtschaftsbereichen einsetzbar. Die Bandbreite reicht vom Lebensmitteleinzelhandel bis zur Pharmaindustrie. Auch Kommunen und das Gesundheitswesen setzen immer mehr auf diese Möglichkeit. Bei Fertigungsprozessen werden die Vorteile besonders deutlich. Denn es lassen sich leicht sowohl das gewünschte Produkt als auch die Bedingungen für seine Herstellung verändern, anpassen, optimieren – zunächst rein digital.

Hier einige Beispiele:

Industrie und Fertigung: In der Industrie 4.0 werden digitale Zwillinge eingesetzt, um reale Produktionsanlagen und -prozesse virtuell abzubilden.
Gesundheitswesen: Im Gesundheitswesen werden digitale Zwillinge eingesetzt, um individuelle Patientenprofile zu erstellen und personalisierte Behandlungen zu ermöglichen.
Automobilindustrie: In der Automobilindustrie können digitale Zwillinge verwendet werden, um Fahrzeugdesigns zu optimieren, Leistung und Sicherheit zu bewerten sowie virtuelle Tests und Simulationen durchzuführen.
Energiesektor: Digitale Zwillinge finden Anwendung im Energiemanagement, insbesondere bei der Überwachung und Optimierung von Stromnetzen.

Wie erstellt man einen Digital Twin?

Digital Twins kann man entweder durch das Scannen physischer Gegenstände in der realen Welt erstellen oder alternativ, anhand von importierten BIM-, GIS- oder CAD-Modellen. Um einen digital Twin zu erstellen, muss dieser nach dem Scannen mit Unternehmensdaten oder auch IoT-Daten verbunden werden, um die Analysen durchführen zu können. Bei einem digitalen Zwilling kann sich um ein Produkt, ganzes simuliertes Netzwerk oder System handeln.

Was ist der digitale Schatten?

Ein digitaler Schatten kann als Vorstufe eines Digitalen Zwillings bezeichnet werden. Unter einem digitalen Schatten versteht man digitale Abbildung von einer Anlage oder einer Maschine, die historische Produktions- Daten speichert, Vorgänge simuliert und Prognosen erstellt, als auch sich anpasst, wenn sich das reale Objekt verändert. Der Digitale Twin geht hier einen Schritt weiter: er reagiert auf Änderungen und kommuniziert die Ergebnisse von der virtuellen Welt zurück in die reale Welt – und passt damit beispielsweise Temperaturen oder Anstellwinkel des verknüpften Objektes in der realen Welt an.

Welche Arten von digitalen Zwillingen gibt es?

Je nach Anwendungsbereich unterscheidet zwischen diesen vier verschiedenen Digital Twins:

• den Component Twins: diese stellen eine einzelne Komponente eines Produktes dar, wie etwa ein Rotorblatt.
• Asset Twins: darunter versteht man die Zusammenarbeit verschiedener Komponenten, wie zum Beispiel der Motor einer Windanlage.
• System/Unit Twins: diese digitalen Twins umfassen alle Komponenten, die einen bestimmten Prozess möglich machen, wie etwa den Antrieb einer Windturbine.
• Process Twins: die höchste Stufe eines Digital Twins befasst sich mit Zusammenarbeit aller Einheiten einer Anlage sowie die Berücksichtigung des richtigen Timings.

Es ist möglich verschiedene Digitale Zwillinge innerhalb eines Prozesses oder ganzer Systeme einzusetzen.

Was ist der Unterschied zwischen einem digital Twin und einer Simulation?

Bei einem Digitalen Zwilling als auch bei einer Simulation werden digitale Modelle genutzt, um spezifische Prozesse nachzustellen. Der Unterschied zwischen beiden besteht jedoch in dem Leistungsumfang: eine Simulation stellte einen bestimmten Prozess dar, ein Digitaler Twin hingegen kann unendliche Prozesse darstellen und Prozesse aus mehreren Blickwinkeln analysieren. Zudem werden die Informationen und Ergebnisse zurück an das ursprüngliche Objekt in der realen Welt geliefert.

Was ist das Besondere an dem Einsatz von Digital Twins?

Jeder Einsatz eines Digital Twins ist einzigartig. Diese digitale Simulation wird mit Unternehmensdaten gespeist und reagiert auf virtuelle Kräfte, Bewegungen Und Interaktionen, die in der realen Welt vorkommen. Gleichzeitig werden die gewonnenen Ergebnisse an Geräte und Plattform weitergeben. Durch diese bilaterale Kommunikation erhöht sich das Potenzial Produkte und Abläufe zu verbessern. Bei dem Einsatz von Digital Twins erhöht sich in der Regel die Komplexität in den darauffolgenden Phasen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Teams mit dieser Technologie über verschiedene Standorte hinweg nutzen können, um zu konstruieren, interagieren bei gleichen Daten. Mit dem Zusatz von Künstlicher Intelligenz kann sich der Digital Twin intelligent weiterentwickeln und Prozesse verbessern.

Was sind die Vorteile eines Digitalen Zwillings?

Vom Einsatz eines Digital Twins können Unternehmen in vielfältiger Weise profitieren. Der zentrale Vorteil besteht darin, dass Simulationen am virtuellen Abbild die Forschung und Entwicklung am realen Objekt zumindest in weiten Teilen ersetzen können. Darin liegt ein enormes Einsparpotenzial hinsichtlich Zeit, Kosten und Ressourcen, vor allem bezüglich Prototypen. So beschleunigt ein Digitaler Twin die Produktentwicklung und schafft Freiräume für Innovationen.

Durch die kontinuierliche Überwachung von Daten in Echtzeit können Digital Twins zudem Anomalien oder potenzielle Probleme frühzeitig erkennen.

Was hat Digital Twin mit Nachhaltigkeit zu tun?

Der Digital Twin ist ein hervorragendes Werkzeug zur Verfolgung und Optimierung der unternehmenseigenen Nachhaltigkeitsstrategie. Denn schon vor dem Start von Entwicklung und Produktion lassen sich die bestmöglichen Bedingungen ermitteln. Energie- und Materialverbrauch werden spürbar reduziert. Das Gleiche gilt für die Prototyping-Kosten.

Mit dem digitalen Zwilling lassen sich u.a. folgende Nachhaltigkeitsziele erreichen:

Ressourcenoptimierung: Der digitale Zwilling kann Daten über den Energieverbrauch, die Produktionsleistung und andere Parameter sammeln und optimale Einstellungen oder Prozessänderungen vorschlagen, um den Ressourcenverbrauch zu minimieren – und dies über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg.

Emissionsreduktion: Indem ein digitaler Zwilling Daten in Echtzeit über den Energieverbrauch und die Emissionen eines physischen Systems liefert, können Unternehmen gezielt Maßnahmen ergreifen, um Emissionen zu reduzieren.

Es besteht also eine unmittelbare Verbindung zwischen Nachhaltigkeitszielen und dem Einsatz eines Digitalen Zwillings.

Was bedeutet Digital Twin für die Industrie?

Anhand eines Digital Twin kann der gesamte Produktlebenszyklus simuliert werden. Allein daraus ergibt sich eine enorme Bedeutung für die Industrie. Noch bevor das erste physische Produkt „vom Band läuft“, hat das virtuelle Modell eine Vielzahl von Tests und Optimierungen durchlaufen. Die anschließende reale Produktion kann mittels Digitalem Zwilling und Echtzeitdaten permanent verbessert werden. Das gilt auch für den Betrieb des fertigen Produkts. Ebenfalls optimieren lassen sich die Wartungen von Produktionsanlagen und Produkten.

Was brauche ich, um einen Digitalen Zwilling zu erstellen?

Die Grundlage eines Virtuellen Zwillings besteht aus einer durchaus komplexen IT-Struktur. Daher starten viele Unternehmen zunächst mit einem einzelnen Produkt und sammeln dabei Erfahrungen. Wichtig ist sowohl eine umfangreiche Datenbasis (von der Entwicklung bis zum Produkteinsatz) von z.B. einer Maschine, einer Anlage, einem Produkt als auch eine vorhandene Sensorik zur laufenden Erfassung weiterer Daten.  Um die erfassten Daten zu übertragen, wird eine zuverlässige Konnektivität benötigt, um eine Verbindung zwischen dem physischen Objekt und der digitalen Umgebung herzustellen.

Die erfassten Daten müssen verarbeitet, analysiert und gespeichert werden.

Weiterhin braucht man Modellierungswerkzeugen und Simulationstechniken, um die Verhaltensweisen und Eigenschaften des physischen Objekts virtuell nachzubilden. All die generierten Daten aus dem physischen Objekt müssen mit anderen relevanten Informationen – aus anderen Systemen, externen Quellen oder historischen Daten – integriert werden.

Je nach Anwendungsfall von Digital Twin und Industrie können die Anforderungen und Werkzeuge variieren.

Systeme wie PLM, CAD etc. müssen vorhanden sein. Auf einer (cloudbasierten) Plattform werden sämtliche Daten gesammelt und mittels einer speziellen Software analysiert und interpretiert.

Was ist der Unterschied zwischen Digital und Virtual Twin?

Obwohl „Digital Twin“ und „Virtual Twin“ ähnliche Konzepte darstellen, gibt es Unterschiede in ihrer Anwendung und ihrem Funktionsumfang.

Ein Digital Twin ist eine digitale Repräsentation eines physischen Objekts, Systems oder Prozesses. Es handelt sich um eine virtuelle Darstellung, die alle relevanten Informationen über das reale Objekt enthält. Ein Digital Twin wird erstellt, indem Daten aus Sensoren, IoT-Geräten oder anderen Quellen erfasst werden, um den aktuellen Zustand, das Verhalten und die Leistung des realen Gegenstands in Echtzeit abzubilden. Dadurch können Nutzer den Zustand überwachen, Leistungsanalysen durchführen, Vorhersagen treffen und Simulationen durchführen, um mögliche Szenarien zu testen. Der Fokus liegt auf der Überwachung und Analyse des realen Objekts.

Ein Virtual Twin hingegen bezieht sich auf eine vollständig virtuelle, computerbasierte Repräsentation eines Objekts, Systems oder Prozesses. Es ist eine komplett digitale Nachbildung, die möglicherweise nicht auf einem physischen Gegenstück basiert. Virtual Twins werden oft in der virtuellen Realität (VR) oder Augmented Reality (AR) erstellt und dienen verschiedenen Zwecken wie Simulationen, Schulungen, virtuellen Tests oder virtuellen Prototypen. Virtual Twins können beispielsweise verwendet werden, um das Design eines Produkts zu optimieren, bevor es physisch hergestellt wird, oder um komplexe Systeme in einer virtuellen Umgebung zu testen.

Wer profitiert am meisten von Digital Twin?

Produzierende Unternehmen können Digital Twin nutzen, um ihre Produktionsprozesse zu optimieren, die Effizienz zu steigern und Kosten zu senken. Durch die digitale Simulation lassen sich neue Produkte schneller entwickeln und auf den Markt bringen. Digital Twin ermöglicht außerdem eine bessere Wartung von Anlagen und Maschinen, was zu geringeren Ausfallzeiten und niedrigeren Wartungskosten führt.

Ingenieure und Designer verwenden Digital Twin, um Produkte oder Systeme virtuell zu modellieren und zu testen, bevor sie physisch hergestellt werden. Dies spart Zeit und Kosten bei der Prototypenentwicklung. Durch die Integration von Sensordaten in den digitalen Zwilling wird die Leistung von Produkten überwacht und verbessert.

Stadtplaner und Architekten nutzen Digital Twin für eine virtuelle Darstellung von Städten oder Gebäuden. Dies kann bei der Planung von Infrastrukturprojekten, der Simulation von Verkehrsflüssen oder der Optimierung der Energieeffizienz helfen. Stadtplaner und Architekten können verschiedene Szenarien simulieren und deren Auswirkungen analysieren, um fundierte Entscheidungen zu treffen.

Service- und Wartungstechniker brauchen virtuelle Modelle von Anlagen oder Maschinen, um Probleme zu diagnostizieren und Lösungen zu entwickeln, ohne physisch vor Ort sein zu müssen. Dies reduziert Reise- und Wartungskosten und verkürzt die Ausfallzeiten von Anlagen.

Kunden und Endbenutzer profitieren auch direkt von Digital Twin. Zum Beispiel können Kunden von Herstellern virtuelle Modelle ihrer Produkte erhalten, um deren Funktionsweise zu verstehen oder spezifische Anpassungen vorzunehmen. Im Bereich des Smart Home können Endbenutzer Digital Twin nutzen, um ihre Energieverbrauchsdaten zu analysieren und die Energieeffizienz zu verbessern.