Seit Jahren geistert der Begriff 'Digitaler Zwilling' durch die Fertigungsindustrie. Im Einsatz sind die virtuellen Abbilder allerdings noch nicht so häufig. Wir erklären, wann der Einsatz Sinn ergibt und wie Sie solche Projekte erfolgreich umsetzen. Unter anderem anhand eines Beispiels von BMW, die bei der Fertigung von Tragstrukturen auf virtuelle Modelle setzen. - (Bild: BMW)
Bearbeitungsstrategien testen, ohne dafür eine Maschine in Beschlag zu nehmen und wertvolles Material zu verschwenden, Produkte optimieren, ohne Prototypen bauen zu müssen oder die reibungslose Zusammenarbeit von Produktherstellern und Anwendern 'ohne Papierkram' - alles möglich dank des digitalen Zwillings.
Das Potenzial solcher Digital Twins im Allgemeinen haben bereits viele Unternehmen erkannt. In einer Studie des Fraunhofer-Instituts für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK und der IT-Beratung msg gaben 85 Prozent der befragten Unternehmen an, bereits Konzepte für den digitalen Zwilling entwickelt zu haben. Jedoch verfügen lediglich 54 Prozent über eine durchgängige Strategie dafür.
Bei der Umsetzung solcher Konzepte will beispielsweise die Industrial Digital Twin Association (IDTA) helfen, die im März 2021 gegründet wurde. Mehr dazu in diesem Artikel:
Das Ziel der Vereinigung: Das Zukunftspotenzial des digitalen Zwillings nutzen und auszubauen, um so Europa eine Spitzenposition im Bereich Industrie 4.0 zu sichern. Dazu müssen Digital-Twin-Projekte branchenübergreifend vorangetrieben werden.
Doch warum sollte man solche Projekte überhaupt umsetzen? Was bringen digitale Zwillinge in der Fertigung wirklich? PRODUKTION ist den wichtigsten Fragen nachgegangen:
- Welchen Nutzen haben digitale Zwillinge in der Fertigung?
- Wann ist es sinnvoll auf digitale Zwillinge zu setzen?
- Was bringen digitale Zwillinge den Mitarbeitenden?
- Wie sollten Unternehmen und ihre Führungskräfte solche Projekte angehen?
- Was kommt nach dem digitalen Zwilling? (Spoiler: die modellbasierte Fertigung)
Was ist überhaupt ein digitaler Zwilling?
Bei einem digitalen Zwilling (häufig auch englisch: Digital Twin) handelt es sich um ein virtuelles Abbild eines realen Gegenstands oder Vorgangs. Dabei werden sämtliche physischen Aspekte, einschließlich Geometrie, Kinematik und Logik, modelliert. Genutzt werden dafür reale Daten von Sensoren, die beispielsweise Maschinenzustände oder Arbeitsbedingungen abbilden. So verbindet das computergestützte Modell die reale und die virtuelle Welt.
Welchen Nutzen haben digitale Zwillinge in der Fertigung?
Meist geht es darum Kosten zu sparen oder Zeit zu gewinnen. Doch was genau digitale Abbilder im Produktionsumfeld bringen, hängt von ihrer Art und ihrem Einsatzgebiet ab. Es gibt nämlich drei verschiedene Arten von digitalen Zwillingen: einen vom realen Produkt, das hergestellt werden soll, einen des kompletten Fertigungsprozesses und einen vom ausgelieferten Produkt beim Kunden.
Die unterschiedlichen Zielstellungen der Varianten erklärt Matthias Schmich, VP Strategic Business bei Siemens Digital Industries Software folgendermaßen: "Beim digitalen Zwilling des Produktes geht es um Zeit. Prototypen können eingespart und Anlagen virtuell in Betrieb genommen werden. Man spart also ganz einfach Zeit für Prozesse, die ansonsten in der Realität abgebildet werden müssten."
Flexibilität wird dank Digitalisierung größer
Beim virtuellen Abbild des Fertigungsprozesses gehe es hauptsächlich um Flexibilität, so Schmich. "Wenn Sie von einer Produktstückzahl Eins und mehreren Varianten ausgehen, dann müssen Sie flexibler sein und müssen nach Möglichkeit in der gleichen Zeit einen höheren Durchsatz mit gleicher Qualität ermöglichen." Aus dem digitalen Zwilling des ausgelieferten Produkts ergeben sich laut dem Experten vor allem Mehrwerte durch neue Geschäftsmodelle.
Außerdem hängen die Vorteile der digitalen Abbilder auch davon ab, wer sie nutzt. Zum Beispiel, ob der digitale Zwilling einer Maschine vom Maschinenbetreiber oder vom Maschinenhersteller genutzt wird. "Bei einem Maschinenhersteller geht es zunächst um Zeit", erläutert Dr. Thomas Mücke, Strategisches Business Consulting Deutschland bei Siemens Digital Industries Software. "Das heißt im Entwicklungsumfeld können wir eine virtuelle Inbetriebnahme realisieren, was dann später in der Montage Zeit einspart - also an der Stelle, an der häufig Termindruck vorherrscht. Da sprechen wir durchaus in Abhängigkeit von der Komplexität der Anlagen und Maschinen von einer Reduzierung von zwei bis drei Monaten."
Simulation spart Zeit
Aber auch der Endanwender, der dann die Anlage einsetzt, habe Vorteile dank des digitalen Zwillings. Denn er könne zum einen früher in seine Produktion starten. Dies resultiere daraus, dass die Anlaufzeit reduziert wird, da zuvor alles virtuell abgebildet werden kann. "Andererseits können wir diesen digitalen Zwilling auch zugleich für die Simulation nutzen, um Einfahrzeiten zu reduzieren", ergänzt Mücke. "Dies führt letztendlich zu einer höheren Produktivität."
Beispiel: Das kann der digitaler Zwilling einer Maschine
Wird eine Maschine vollständig digital abgebildet, können daraus intelligente Systeme entstehen. Ein Beispiel dafür: ProtectLine von Chiron. Hier wird das gesamte Bearbeitungszentrum abgebildet, inklusive der Bearbeitungswerkzeuge mit Werkzeughaltern und dem Werkstück mit Vorrichtung.
Dieser digitale Zwilling dient dann als Grundlage für eine Kollisionsvermeidung. Ist die Maschine in Betrieb, findet parallel zum realen Zerspanprozess ein virtueller statt. Mithilfe einer Abtragssimulation hat das virtuelle Werkstück jederzeit dieselbe Geometrie wie das reale. Während der Bearbeitung fährt der digitale Zwilling dem realen Vorgang um 800 Millisekunden voraus. Daher kollidiert die Simulation bereits vor der realen Maschine. Diese wird dann gestoppt und der Bearbeitungsprozess wird angepasst. So werden Maschinencrashs vermieden, die beispielsweise aus Fehlbedienung oder fehlerhaften NC-Programmen entstehen können.
Wann ist es sinnvoll auf digitale Zwillinge zu setzen?
Wo ein digitaler Zwilling sinnvoll ist und wo nicht, hängt unter anderem vom Produkt selbst ab. "Bei einer Massenproduktion, in der nur einfachste Bauteile produziert werden, ist es fraglich, ob sich der Aufwand für einen digitalen Zwilling rechnet", kommentiert Mücke. "Je komplexer die Produkte werden, zum Beispiel beim Bauen von komplexen Komponenten, Anlagen oder Maschinen, und je kleiner die Losgrößen sind, desto sinnvoller ist ein digitaler Zwilling."
Vor allen Dingen ergeben laut den Siemens-Experten digitale Zwillinge dort Sinn, wo nachher neue Geschäftsmodelle entstehen oder ein Mehrwert für den Kunden generiert werde; sei dies über präventive Wartung, Updates oder zusätzliche Features, die man so auch mit den ausgelieferten Produkten zusammen zur Verfügung stellen kann.
"Der digitale Zwilling ist kein Selbstzweck", ergänzt Mücke. "Deshalb raten wir auch allen dazu, im Vorfeld die Kosteneinsparungen den Investitionen gegenüberzustellen."
Zum Ergebnis, dass der digitale Zwilling keinen Selbstzweck darstellen sollte, kommt übrigens auch die Studie von msg und Fraunhofer IPK. Die Autoren sagen, dass die Einführung eines digitalen Zwillings nur gelingen und der angestrebte Nutzen generiert werden kann, wenn in den Bereichen "Verständnis und Einsatz", "Zielbild und Konzept" und "Umsetzung" eine hohe Reife erlangt wurde.
Beispiel: So hilft der digitale Zwilling bei komplexen Bauteilen
BMW nutzt beispielsweise bei der Fertigung des Unterbaus für das iX Cockpit einen digitalen Zwilling. Das betreffende Bauteil ist keine konventionelle Tragstruktur mehr, sondern eine besonders gewichtsarme Hybrid-Tragstruktur. Das Material ist ein Mix aus Metall und Kunststoff.
Die Umstellung brachte für die Ingenieure eine Herausforderung mit sich: Die hohen Qualitätsanforderungen und die engen Messtoleranzen für die Werkzeuge zur Herstellung der Tragstruktur lassen sich mittels konventioneller Prüfmethoden und Simulationen nicht einfach von Metall auf Kunststoff übertragen. Dem schafft BMW Abhilfe mittels künstlicher Intelligenz und dem Einsatz eines digitalen Abbilds des Bauteils.
"Mit einer speziellen KI-Software erzeugen wir einen digitalen Zwilling des echten Bauteils und können so den kompletten Herstellprozess mit allen physikalischen Eigenschaften digital simulieren", erläutert Projektleiter Bernhard Melzl. "So können wir verschiedenste Kombinationen von Bauteil- und Werkzeug-Parametern digital testen – und eventuelle Wirkzusammenhänge virtuell erkennen, lange vor der Herstellung der ersten realen Bauteile." Zu den Einflussgrößen zählen zum Beispiel die Einspritz- oder Füllgeschwindigkeit des Kunststoffs, die Temperaturen der Kunststoff-Schmelze und der Werkzeuge sowie eine Variation von möglichen Wanddicken des Kunststoffs in den einzelnen Bauteilbereichen.
BMW sieht bei der virtuellen Erprobung mit dem digitalen Zwilling einige wesentliche Vorteile:
- Die konventionellen Erprobungen vor dem eigentlichen Produktionsstart können großteils entfallen. Sie wäre zeit- und kostenintensiv – und könne mehrere Wochen oder Monate Zeit in Anspruch nehmen.
- Die virtuelle Erprobung mit dem digitalen Zwilling verkürzt die Vorentwicklungszeiten deutlich.
- Der Einsatz von Ressourcen wie Material und Energie wird reduziert.
- Mit der digitalen KI-Simulation lässt sich das optimale Parameter-Set für die spätere Herstellung der Cockpits simulieren.
Was bringen digitale Zwillinge den Mitarbeitenden?
Nicht nur die Unternehmen insgesamt profitieren von der Digitalisierung. Auch denjenigen, die in der Fertigung mit den Lösungen arbeiten, bringt der digitale Zwilling einen Nutzen.
Konkret bedeutet das, dass einfache Tätigkeiten wegfallen und durch digitale Lösungen ersetzt werden. "Die Mitarbeiter werden – speziell im Fertigungsumfeld, wo die Systeme die Optimierung vorgeben – mehr zu Orchestratoren", erklärt Siemens-Mann Mücke. "Sie haben eine Visualisierung auf ihrem Tablet oder Bildschirm und müssen Entscheidungen fällen."
Als Beispiel für wegfallende Tätigkeiten nennt der Digitalisierungsexperte die 'Turnschuh-Administration', die Mitarbeitende in Fertigungen heutzutage noch häufig leisten müssen. "Das heißt, ihnen fehlen irgendwelche Daten oder sie haben nicht alle Informationen, weil diese häufig noch in Silos im Excel oder sogar handschriftlich vorliegen. In diesem Fall müssen sie letztendlich oft im Shopfloor Informationen zusammensuchen - das entfällt durch Digitalisierung. Mitarbeiter haben dann alle Informationen gebündelt verfügbar; und es gibt nicht mehr so viele Störungen, die manuell behoben werden müssen", erläutert Mücke.
"Die Rollen der Mitarbeiter verändern sich", ergänzt sein Kollege Schmich. "An der ein oder anderen Stelle werden sicherlich auch höhere fachliche Qualifizierungen notwendig sein."
Wie sollten Unternehmen und ihre Führungskräfte solche Projekte angehen?
Damit die Fachkräfte sich aber auf solche digitalen Arbeitshilfen einlassen und sich auf neue Aufgaben einlassen, ist es wichtig, den Nutzen aus der Geschäftsführung heraus ordentlich zu kommunizieren. Wie sollten also Führungskräfte mit dem Thema umgehen? "Was wir als enorm wichtig erachten ist, dass so ein Digitalisierungsprojekt von ganz oben getragen werden muss", betont Schmich; "sprich die Unternehmensleitung muss kommunizieren, dass die Digitalisierung mit konkreten Zielen des Unternehmens verbunden ist. Denn die Technologie ist beherrschbar, aber bei den Mitarbeitern kommen auch Ängste auf und an der ein oder anderen Stelle auch Abwehrreaktionen."
Dem müsse man entgegenwirken, indem man im Unternehmen eine offene und faire Kommunikation pflegt. Damit die Kommunikation gelingt, muss auch den Führungskräften klar sein, was die Ziele des Projektes sind. Dabei gibt es laut den Siemens-Experten einige Fragen, die im Vorfeld geklärt werden müssen:
- Was treibt das Unternehmen vonseiten des Marktes, vonseiten seiner Kunden und vonseiten des eigenen Produktes an?
- Was sind die externen Trends/Treiber? Seien es gesetzliche Vorgaben oder neue Entwicklungen am Markt oder bei den Wettbewerbern.
- Wie digital ist denn das Unternehmen heute aufgestellt und zu welcher 'digitalen Reife' möchte sich die Organisation hin entwickeln?
So starten Sie ein Digital-Twin-Projekt
"Wir machen das über eine Potenzialanalyse", sagt Mücke zu der Vorgehensweise, die Siemens mit seinen Kunden pflegt. "Dabei werden die Fertigung, die Entwicklung, der gesamte Wertschöpfungsprozess vom Anforderungsmanagement bis hin zum Service betrachtet, also der komplette Wertschöpfungsprozess."
Dabei wird zum Beispiel betrachtet, welche Maschinen in einer Fertigung genutzt werden. "Denn man kann durchaus auch digitalisieren, wenn man eine zwanzig Jahre alte CNC-Maschine hat", erklärt Mücke. "Klar, man bekommt dann vielleicht nicht die Prozessdaten für analytische Verfahren raus, die man aus einer neueren Steuerung bekommt, aber mittels Erweiterungen ist man da durchaus auch in der Lage, Echtzeitdaten auszulesen, transparent darzustellen und zu analysieren, um stetige Verbesserungen zu erzielen."
Möchte man in der Fertigung mit digitalen Zwillingen arbeiten, dann bildet das virtuelle Abbild des Produkts die Basis. Die Daten aus der Produktion und die Echtzeitdaten aus der Maschine werten anschließend den digitalen Zwilling des Produkts auf und ergänzen ihn. "Je nachdem, in welchem Bereich wir tätig sind, ist es dann zum Beispiel noch hilfreich, wenn auch das 3D-Modell mit Qualitäts- oder Fertigungsinformationen versehen ist", fügt Mücke hinzu. "Wenn solche Informationen im 3D-Modell enthalten sind, kann man zum Beispiel bei der NC-Programmierung darauf zugreifen und aufgrund von diesen Informationen den Prozess wesentlich schlanker machen."
Hat man an den passenden Stellen in der Produktion digitale Zwillinge eingeführt, ist aber noch lange nicht Schluss mit der Digitalisierung. Die virtuellen Modelle sind die Grundlage für weitere Schritte.
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Was kommt nach dem digitalen Zwilling?
"Der digitale Zwilling ist die Voraussetzung für eine modellbasierte Fertigung, da wir dafür CAD-Modelle brauchen, die mit Produkt- und Fertigungsinformationen versehen sind", erzählt Mücke. Der nächste Schritt ist also die modellbasierte Fertigung. Aber was hat es damit auf sich? Warum werden solche Ansätze benötigt?
Mücke erklärt: "Der Nachteil der heutigen Technologie ist, dass die Fertigung sehr stark transaktionsorientiert ist. Es wird auf Basis der im ERP-System definierten Arbeitspläne, Zeiten, Ressourcen und NC-Programme gefertigt – ein Top-Down-Ansatz also. Das heißt, wenn im Arbeitsplan vorgegeben ist, dass ich über Maschine A muss, dann muss ich halt über Maschine A; wenn ich Änderungen habe, dann muss ich das alles in den Planungssystemen nachziehen. Aufgrund dessen fehlt die Flexibilität, die man in Zukunft braucht."
Die Lösung sei es, diesen Top-Down-Ansatz mit einem Bottom-Up-Ansatz zu ergänzen. Echtzeitdaten aus der Werkzeugmaschine, zum Beispiel zur aktuellen Belegung oder den verfügbaren Ressourcen werden mit den Daten aus dem ERP-System zusammengeführt.
Modellbasierte Fertigung bringt Flexibilität
Dabei spielen auch MES als Schnittstelle eine Rolle. "MES haben heute eine neue Bedeutung, nämlich das Zusammenspiel von ERP-System und Fertigung zu verbessern", legt Schmich dar. "Sie übernehmen die Fertigungsaufträge vom ERP-System und leiten Sie an die Maschinen oder den Bedienerarbeitsplatz weiter. Allerdings kommen Sie mit diesen Systemen an Grenzen, was die Optimierung angeht. Mithilfe eines modellbasierten Ansatzes hingegen kann man diese Grenzen überschreiten und die Effizienz weiter steigern." Welche Lösungen Siemens für solche modellbasierten Strategien anbietet, sehen Sie in diesem Video:
Der auf Modellen beziehungsweise digitalen Zwillingen basierende Ansatz bringt wesentlich mehr Flexibilität in die Fertigung. "Denn dann stellt man vor Produktionsbeginn fest, dass man dieses Produkt heute aufgrund der aktuellen Situation in der Fertigung besser über eine andere Maschine oder über andere Fertigungsverfahren herstellen sollte, da Maschine A gerade defekt ist oder eine große Auftragswarteschlange hat", nennt Mücke als Beispiel. "So erhalten wir Bypässe für bestimmte Bauteile, was zu einer Durchlaufzeitreduzierung führt und die Kapitalbindung minimieren kann."
Was wird für die Umsetzung einer modellbasierten Fertigung benötigt?
"Um so etwas realisieren zu können, brauchen wir dementsprechende Regelwerke im Produktionsumfeld", erläutert Digitalisierungsexperte Mücke. "Wir benötigen aber auch digitale Zwillinge, die mit Informationen zum Produkt versehen sind und Echtzeitdaten aus den Maschinen, um Prozesse analysieren zu können. Dann können wir über Analytik zum Beispiel Vorschübe, Drehzahlen sowie Schnittgeschwindigkeiten auswerten und wieder in den Engineering-Prozess zurückspielen, sodass wir immer mehr in einen kontinuierlichen Verbesserungsprozess hineinkommen."
