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Digitaler Zwilling

Vom Rohstoff bis zur Auslieferung: Digitaler Zwilling in der Fertigung und Produktion

| Redakteur: lic.rer.publ. Susanne Reinshagen

Die Implementierung eines Digital Twins ist tendenziell zwar aufwändig, wenn er komplexe Aufgaben übernehmen soll, doch bereits die Überwachung einer Simulation zahlt sich für Unternehmen deutlich aus. Daher sollte man den digitalen Zwilling lieber nicht zu stiefmütterlich behandeln.

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Der Einsatz eines digitalen Zwillings in der Produktion kann sich je nach Ausgangslage durchaus auszahlen.
Der Einsatz eines digitalen Zwillings in der Produktion kann sich je nach Ausgangslage durchaus auszahlen.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay)

Automation unterstützt Unternehmen dabei, menschliches Versagen zu minimieren, Prozesse zu überwachen und die Sicherung der Qualität zu verbessern. Hersteller führen europaweit immer öfter neue Werkhallen mit teilweiser Automation in ihr Unternehmen ein und reduzieren so den Mitarbeiteraufwand, aber unter anderem auch den Rohstoffverbrauch und qualitative Ausschüsse. Ein Digitaler Zwilling kann sich in diese Systeme einreihen und sie noch sicherer machen.

Erste Schritte Digitaler Zwillinge in der Produktion

Seit 2017 testet das Fraunhofer Institut, wie sich ein digitaler Zwilling auf die Abläufe in IoT-Systemen auswirkt und welche Kommunikationsebenen er bedienen kann, um die Automation zu verbessern. Ausgangspunkt war die Ausstattung von Produktionsanlagen mit den notwendigen Sensoren und Schnittstellen, um die Anlage vollständig abzubilden. Heute liegt die Forschung längst auf dem Schwerpunkt KI. Das System soll nicht mehr nur smart sein und erkennen, in welchem Produktionsschritt Handeln erforderlich ist. Ein digitaler Zwilling soll zugleich über eine Simulation zukünftige Schritte vorhersehen können. Diese Entwicklung in der Produktion und Fertigung von Elektronik, medizinischer Technik, Fahrzeugen und vielem mehr, hat bereits heute für sicher und besser produzierte Produkte gesorgt, die aus dem Alltag nicht wegzudenken sind. PKW denken heute für ihren Halter mit, verhindern Unfälle und minimieren Kosten durch Auffahrunfälle beim Einparken und Abbremsen. Diese Art der Automation wird durch eine ähnliche KI möglich, wie sie auch während der Produktion erkennt, wenn eine Schraube nicht festgezurrt wurde oder eine Dichtung nicht schliesst. In grundlegenden Zügen ist auch ein digitaler Zwilling bereits Bestandteil der IoT-Systeme in Firmen, beispielsweise in der Sicherheit.

Anlagen in der Produktion überwachen über Digitalen Zwilling

Die einfachste Art, auf die ein Digitaler Zwilling bestehende Systeme unterstützen kann, ist über die einfache Spiegelung von Sensoren in einem Grundriss. Dieses Prinzip ist aus der Sicherheitstechnik bekannt. Der Grundriss eines Gebäudes mit seinen Türen, Schlössern, Fenstern und übrigen Zugängen wird durch Sensoren ausgestattet, die erkennen wenn eine Tür geöffnet oder ein Passwort falsch eingegeben wird. Ein digitaler Zwilling in einfacher Struktur, ohne Details oder Objektverfolgung, gibt also die Information an das Monitoring weiter - Achtung, eine Tür wurde unbefugt geöffnet.

Innerhalb der Fertigung kann diese einfache Technologie in einer gesteigerten Funktionalität eingesetzt werden. Statt Türen überwachen die Sensoren nun beispielsweise den Betrieb von Schneidewerkzeugen, Übergängen zwischen den Maschinen, Klappen und Roboterarmen. Solange nur diese Punkte überwacht werden sollen, kommt ein Digitaler Zwilling ohne besondere Befugnisse aus und muss theoretisch nicht in ein IoT-Netzwerk eingebunden sein. Die Sensoren können einzeln mit dem Modell kommunizieren. Wer heute jedoch smarte Anlagen neu implementieren und in der Fertigung einsetzen möchte, tut gut daran, einen voll funktionstüchtigen virtuellen Zwilling programmieren zu lassen. Dieser zeigt nicht nur Schaltpläne und grundlegende Fehler an, sondern kann auch die durch die Anlage laufenden Rohstoffe, Bauteile und Produkte verfolgen.

Die gesamte Fertigung als Digitaler Zwilling

Produktion und Herstellung von Produkten aller Art sind auf zweierlei Art fehleranfällig. Zum einen kann die Anlage, die mit Hilfe von Werkzeugen, Förderbändern, Hitze und Koordinaten das Produkt fertigt teilweise gestört werden. Zum anderen entsteht durch verschiedene Faktoren und teilweise reinen Zufall Ausschuss, den die Maschinerie nicht vorhersehen und verhindern kann. Das defekte Produkt kann innerhalb der IoT-Anlage dann versehentlich ausgeliefert werden, wenn eine automatisierte Logistik ohne menschliche Qualitätskontrolle erfolgt.

Möchten Sie einen Zwilling implementieren, der die gesamte Anlage abbildet, stellt sich also die Frage der Verhältnismässigkeit einer Überwachung beider Probleme. Eine Anlage, welche verderbliche Lebensmittel formt und befördert, ist in der Anschaffung und Wartung kostenintensiv. Das Produkt selbst verursacht hingegen praktisch keinerlei Kosten. Der Ausschuss des Produktes ist daher kein Problem. Eine einzige lockere Klappe dagegen kann durch eine Verformung des Produktes die gesamte Anlage verstopfen, überhitzen oder ausser Betrieb setzen. Daher ist die Objektverfolgung in diesem Fall nicht sinnvoll, die Abbildung der gesamten Anlage dagegen schon.

Simulation oder Echtzeit? Welcher Zwilling ist der passende

Komplexe Produkte wie Fahrzeuge und medizinische Elektronik verlangen nach verschiedenen Zwillingen im gleichen Produktionslauf. Für die Fertigungsanlage selbst benötigen Sie einen Zwilling, der die stattfindenden Prozesse überwacht. Ein digitaler Zwilling, der in Echtzeit Fehler meldet, kann zudem in ein smartes System eingebunden werden, in dem er diese Fehler an alle umliegenden Gerät und das Monitoring-Team meldet. Ein digitaler Zwilling, der den Betrieb simuliert, ergibt hingegen in Grossanlagen Sinn, in denen hochkomplexe Teile zu hunderten verarbeitet werden, um ein einziges Produkt zu fertigen.

Im Verlauf dieser Produktion bieten sich diverse Möglichkeiten, Fehler im System zu produzieren. Arbeiten Sie daher mit einer Simulation der Anlage, um zu erfahren, an welchen Stellen der Ablauf risikobehaftet ist. Ein solcher Digitaler Zwilling, der Szenarien emuliert, ist zudem für das Produkt selbst sinnvoll und sollte bereits mit dem Prototypen angelegt werden. Beide Arten der Abbildung haben Vor- und Nachteile.

Ein digitaler Zwilling, der nur die Echtzeithandlung abbildet,

  • erkennt Fehler wenn sie stattfinden
  • kann keine Fehler simulieren ohne sie zu kennen
  • unterstützt das System
  • kann keine Lösungsvorschläge abspielen

Der digitale Zwilling, der ausschließlich simuliert,

  • bildet jedes beliebige Szenario ab, auch abstrakte Situationen
  • zeigt nicht auf, was tatsächlich in der Produktion geschieht
  • kann Lösungen testweise abspielen
  • kann keine Lösungen vor Ort automatisch implementieren

So verringert ein Digitaler Zwilling den Rohstoffverbrauch

Ein weiterer Vorteil für die Produktion ist es, dass ihr digitaler Zwilling den Herstellern aufzeigt, wie ein optimierter Ablauf aussieht. Präzise Lasercutter und 3D-Printer ermöglichen dann die Nutzung von gerade so vielen Rohstoffen, dass die Produktion nur noch minimale Abfälle abwirft. Die Simulation wird zu diesem Zweck mit immer weniger Materialien gefüttert, bis eine Herstellung des gewünschten Gegenstandes nicht mehr möglich ist. Durch leichtes Hochjustieren dieser Menge erhält die Maschine einen geringen Spielraum.

Besonders in Branchen, die mit seltenen Erden, Edelmetallen und schwer produzierbaren Legierungen und Kunststoffen arbeitet, macht diese geringe Einsparung einen riesigen Unterschied in Budget, Gewinnspanne und Effizienz. Ein Digitaler Zwilling ist daher Ihr idealer Produktionsbegleiter für das 21. Jahrhundert.

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal Schweizer Maschinenmarkt erschienen.

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