Digitaler Zwilling: Wie profitiert Ihre Produktion davon?
Der digitale Zwilling (englisch „digital twin“) ist ein viel diskutierter Technologietrend. Laut Gartner gehören digitale Zwillinge zu den Top 10 der strategischen Technologie-Trends.
Vor allem wird ihnen großes Potential nachgesagt, wenn es um die umfassende Digitale Transformation von Fertigungsprozessen und Produktionsmodellen geht.
Aber was ist überhaupt ein digitaler Zwilling? Wie wird ein digitaler Zwilling in der Produktion eingesetzt? Welche Möglichkeiten und Mehrwerte ergeben sich für Fertigungsunternehmen? Diesen Punkten gehen wir mit diesem Blog-Artikel auf den Grund.
1. Was ist ein digitaler Zwilling in der Produktion? Eine Definition
Ein digitaler Zwilling ist das virtuelle Abbild eines physischen Systems, Vorgangs oder Objekts, das bereits existiert oder es zukünftig geben wird. Allerdings hat dieser Zwilling in der digitalen Welt weitere Eigenschaften, die mit Daten, Algorithmen, maschinellem Lernen und IoT (Internet der Dinge) in Verbindung stehen.
Digitale Zwillinge sind weit mehr als nur anschauliche 3D-Modelle. Sie beschreiben Eigenschaften, Zustand und Verhaltensmuster von realen Objekten unter bestimmen Voraussetzungen. Sie lassen sich über Sensoren mit den Objekten aus der realen Welt in Echtzeit koppeln. Somit können unterschiedliche Szenarien realitätsbezogen virtuell nachgeahmt werden.
Diese Simulationen basieren also nicht auf Angaben bzw. Vorgaben eines Anwenders, wie es in der Vergangenheit der Fall war, sondern auf aktuellen, tatsächlichen Sensor-Daten.
Digitale Zwillinge in der Fertigung
Für jede Branche, die Produkte herstellt, wie z.B. die Automobilindustrie, sind digitale Zwillinge eine hoch spannende Technologie.
Der digitale Zwilling in der Produktion ist eine virtuelle Kopie einer echten Fertigungskomponente. Dies kann ein Werkzeug, eine Maschine oder ein Produktionsprozess sein.
Über gekoppelte Sensoren spiegelt der digitale Zwilling den Status und die Funktionalität des realen Objekts wider. So lassen sich in Ihrem produzierenden Unternehmen Simulationen anstoßen und Optimierungen in der Fertigung vornehmen.
Das Entwicklungspotenzial ist hier immens. Denn mit Hilfe dieser Technologie ist es für Unternehmen möglich, Produkte von der Konzeption über die Entwicklung und den Verkauf bis hin zum After-Sales-Service jederzeit zu untersuchen, zu bewerten und punktuell zu optimieren.
Dementsprechend erhalten Sie tiefe Einblicke darüber, was in Ihren Produktionslinien gerade vorgeht und wie, unter bestimmten Bedingungen, Ihr gesamter Fertigungsprozess in der Zukunft aussehen kann.
2. Wie werden digitale Zwillinge in der Produktion eingesetzt?
Digitale Zwillinge finden über den kompletten Produktlebenszyklus eines Produktes für einen Hersteller Verwendung. Diese ersetzen „einfache“, statische 3D-Modelle oder CAD-Aufzeichnungen, die für die Entwicklung von echten Prototypen bisher verwendet wurden.
Dabei werden Maschinen, Produktions- oder Software-Komponenten in einem digitalen Zwilling abgebildet. Sensoren sammeln fortlaufend Daten aus den physikalischen Objekten und übertragen diese in Echtzeit an die digitalen Zwillinge. Gleichzeitig werden digitale Zwillinge mit Produktionsdaten aus IT-Systemen kontinuierlich (z.B. aus einer ERP-Software) angereichert.
Fertigungsunternehmen gewinnen somit an Kontrolle, Qualität, Transparenz und Effizienz zu jedem Zeitpunkt im Produktlebenszyklus.
Digitale Zwillinge in jeder Phase der Wertschöpfungskette
Beginnend mit der Phase der Konzeption ermöglicht die Technologie das virtuelle Testen und Umsetzen von komplexen Anforderungen und Produkteigenschaften, ohne dass ein reales Objekt erstellt werden muss.
Auch vermeiden Fertigungsunternehmen das Produzieren von ständig veränderten physikalischen Prototypen, die Arbeitszeit und Materialkosten verursachen.
Im zweiten Schritt der Wertschöpfungskette erfolgt die Produktionsphase. Mit einer prozessorientierten Vorgehensweise können digitale Zwillinge die Effizienz und Qualität Ihrer Fertigungsprozesse optimieren.
Durch die Erfassung und Bewertung von Leistungsdaten erkennen Sie Probleme Ihrer Produktionsanlagen. Aufkommender Verschleiß, Wartungsfälle, kritische Maschinenzustände und suboptimale Materialverbräuche werden überwacht und dokumentiert. Vielmehr können Sie diese vorhersagen und vermeiden, bevor sie überhaupt auftreten. Demensprechend gehen Sie ärgerlichen Ausfallzeiten aus dem Weg.
Auch die weiteren Phasen eines Produktlebenszyklus, wie beispielsweise die Logistikplanung und die Nutzungsphase, lassen sich mit dem Einsatz von digitalen Zwillingen bereichern.
Die Struktur des digitalen Zwillings einer Produktionsanlage
Prozesse und Objekte in der Produktion verfügen über eine gewisse Komplexität. Daher werden digitale Zwillinge in Fertigungsprozessen häufig mehrschichtig bzw. modular abgebildet. So setzt sich der digitale Zwilling aus weiteren, untergeordneten Zwillingen zusammen.
In unserem Fall gibt es neben dem „Hauptzwilling“ der Produktionsanlage weitere „Unterzwillinge“: a) der Produktzwilling in Form eines 3D-Modells, b) der Produktionszwilling in Form von Geräten, Maschinen, Software-Systemen und Werkzeugen für die Herstellung des Produktes, c) der Leistungszwilling in Form von KPIs bzw. Indikatoren und Leistungsdaten, wie z.B. Produktionszeiten, Produktionsmengen, Wartungszyklen, Auslastung usw.
3. Die Rolle eines ERP-Systems
Neben der technologischen Ebene (über eine IoT-basierte Sensorentechnik) ist die Prozessebene der digitalen Zwillinge für ein Unternehmen genauso wichtig. Und genau hier kommt die ERP-Software als Schnittstelle ins Spiel.
Zum einen übermittelt ein ERP-System Daten an den digitalen Zwilling (Stücklisten, Produktionsaufträge, Ressourcenkapazitäten), zum anderen fließen Daten in die ERP-Software (Verbrauch, Materialverbräuche, Temperatur).
Nicht nur Ihre Produktion profitiert von digitalen Zwillingen
Diese bilaterale Kommunikation schafft Mehrwerte für weitere Unternehmensbereiche, auch außerhalb der Produktion. Voraussetzung ist natürlich, dass im Vorfeld technische Schnittstellen und die Prozessintegration zwischen den Abteilungen klar definiert und abgestimmt sind.
Produktionsbezogene, Sensoren-basierte Daten stehen beispielsweise Ihrem Vertriebs- und Servicemitarbeitern zur Verfügung. Daten, die für schnelleren Umsatz oder eine verbesserte Servicequalität sorgen können.
Andersherum bereichern die aus dem ERP-System erzeugten Daten die technologische Plattform eines digitalen Zwillings, die für eine tiefreichende Optimierung und Automatisierung von Produktionsanlagen sorgen kann.
4. Vorteile vom Einsatz digitaler Zwillinge in der Produktion
Der Einsatz des digitalen Zwillings bietet für Fertigungsunternehmen zahlreiche Vorteile und positive Effekte. Am Ende macht sich das am Markt bezahlt. Sie sind schneller und näher an Ihrem Zielkunden.
Aufgrund von realitätsnahen Testsimulationen in einer virtuellen Umgebung lassen sich Produkte, Systeme und Konzepte ausgiebig testen und bewerten. Die Reduzierung von Fehlern und Störungen in der Konzeption und Fertigung ist dabei der erste Gewinn. Dies wiederum bedeutet niedrigere Entwicklungszeiten und geringere Kosten.
Ihre Produktion gewinnt an Geschwindigkeit, Flexibilität und Effizienz – Eigenschaften, die in hart umkämpften globalen Märkten ein Segen sind.
Die „digital Factory“ als Chance
Folgende Vorteile bieten digitale Zwillinge für Ihre Produktionssteuerung und Produktionsplanung:
- Sie beschleunigen Ihre Entwicklungszyklen in der Konzeptions- und Fertigungsphase.
- Sie reagieren flexibel und zuverlässig auf mögliche Abweichungen der Produktanforderungen und Änderungen der Kundenwünsche.
- Sie minimieren die Gefahr von fehlerbehafteten Produktionsanlagen, -prozessen und Endprodukten. Hierbei spielen die künstliche Intelligenz und das maschinelle Lernen eine tragende Rolle.
- Sie setzen eine vorausschauende Instandhaltung (Predictive Maintenance) in Ihrem Unternehmen um. Dabei werden Verschleiße dokumentiert und Wartungsarbeiten punktgenau organisiert.
- Sie treffen fundierte Entscheidungen auf Basis von aussagekräftigen Daten und Prognosen über Verhalten, Leistung und Eigenschaften Ihrer Produktionsanlagen und Produkte.
- Mit Hilfe eines ERP-Systems erhalten Sie einen ganzheitlichen Überblick über Ihre Produktion, sowohl auf technologischer Ebene als auch auf Prozessebene.
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5. Beispiele vom Einsatz digitaler Zwillinge in Fertigungsunternehmen
- Ein produzierendes Unternehmen erstellt virtuelle Zwillinge seiner Produktionsstandorte. IoT-Sensoren kommen bei jedem Standort zum Einsatz und liefern Echtzeit-Daten wie Zustand, Temperatur und Betriebszeit der Fertigungsmaschinen an die Systeme der digitalen Zwillinge. Auf Basis dieser Leistungsdaten erstellt das Unternehmen Was-Wäre-Wenn-Szenarien, um den bestmöglichen und effizientesten Einsatz der Ressourcen (in diesem Fall der Maschinen) zu ermitteln.
- Ein zweites Fertigungsunternehmen möchte den Betrieb eines bestimmten Gerätes ermitteln, das in der Produktion eingesetzt wird, aber immer häufiger Verschleißerscheinungen aufzeigt. Der Verschleiß wird von IoT-Sensoren aufgenommen und an den digitalen Zwilling des Gerätes übertragen. Dort werden die eingereichten Echtzeit-Daten analysiert und eventuell mit übermittelten Standard-Werten des Zulieferers verglichen. Wenn dabei gewisse Schwellenwerte überschritten werden, löst der digitale Zwilling einen Alarm aus. Anschließend wird über das ERP-System ein Support-Ticket erstellt und ggf. eine Bestellung der nötigen Ersatzteile erzeugt.
Unabhängig der Risiken, insbesondere was die IT-Sicherheit betrifft, können digitale Zwillinge Ihrer Produktion einen enormen Qualitäts- und Effizienzschub geben. Sie ebnen im Zusammenspiel mit weiteren Technologien den Weg zur digital (smart) Factory. Die positiven Effekte weiten sich bis hin zu Ihren Kunden aus.
Sie als Unternehmer besitzen zuverlässigere Daten Ihrer Produktionsressourcen. Somit treffen Sie schnellere und fundiertere Entscheidungen, indem Sie eine vorausschauende Produktionsplanung betreiben.
Um aber ihr wahres Potenzial zu entfalten, sollten digitale Zwillinge mit ERP-Softwaresystemen kommunizieren können. Der technologische Aspekt des digitalen Zwillings muss mit dem prozessbasierten Aspekt Ihrer Systeme im Einklang sein.
Kommen für Sie digitale Zwillinge in Ihren Fertigungsprozessen in Frage? Glauben Sie, dass diese Technologie mehr als nur ein aktueller Trend ist?
Haben Sie weitere Fragen oder Anregungen zu diesem Thema? Gerne können Sie hier einen Kommentar hinterlassen oder sich direkt bei uns melden. Auf jeden Fall freuen wir uns auf Ihr Feedback!
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