Digital Twin - Digitaler Zwilling

Unter einem Digital Twin, einem digitalen Zwilling, versteht man ein virtuelles Modell oder Modelle der Realität. Reales Gegenstück des digitalen Zwillings kann beispielsweise eine physische Maschine, eine Anlage, ein System oder sogar eine komplette Stadt sein. Gerade im Zusammenhang mit dem Internet of Things (IoT) und der Digitalisierung erfreut sich der Doppelgänger als Konzept immer größerer Beliebtheit. Und die Einsatzgebiete für digitale Zwillinge in der Industrie werden stets größer.

Der Digital Twin kombiniert die Geometrie des Objekts mit seinem Verhalten. Seine Geometrie kann aus dem CAD kommen. Sein Verhalten kann beispielsweise seine statische oder dynamische Festigkeit, sein Schwingungsverhalten, sein kinematisches Verhalten, seine Geräuschentwicklung oder eventuell sogar sein Korrosionsverhalten sein.

Digital in Echtzeit wird der Digital Twin dann, wenn folgende Voraussetzung erfüllt ist: Das konstruierte Produkt muss mit denjenigen Daten verbunden werden, die Sensoren oder sonstige Messgeräte in Echtzeit liefern. Dabei kann ein großer digitaler Zwilling durchaus aus mehreren einzelnen kleinen oder Teilen von Zwillingen bestehen. Herzstück für digitale Zwillinge sind ausreichende und präzise Daten. 

Dafür müssen Technologie und Prozesse sauber vorbereitet und aufeinander abgestimmt sein. 
Arnold IT Systems berät Sie bei der Entwicklung und Umsetzung eines digitalen Zwillings oder mehrerer digitaler Zwillinge. Zudem zeigen wir Ihnen auf, wo und wie Sie am besten mit einem Digital Twin starten und diesen schrittweise aufbauen können.

Was ist ein Digitaler Zwilling und was bringt er für Ihr Unternehmen?

Der Digital Twin ist eine Kreation der Virtual Reality und verbindet die reale Welt mit der digitalen. Digital Twins existieren in unterschiedlichen Ausprägungen. Eine einfache Form ist zum Beispiel eine Maschine, die sich im virtuellen Raum von allen Seiten betrachten lässt. Etwas progressiver ist eine Variante, mit der sich die Maschine virtuell begehen lässt. Dann kann das von außen verborgenen Innenleben betrachtet und im Detail inspiziert werden.

Eine angereicherte Variante zeigt durch Verknüpfung mit Betriebsdaten per Klick reale Werte der laufenden Prozesse. Beispielsweise die Betriebstemperatur, den Durchsatz oder andere relevante Informationen. Bereits in diese Variante kann der Digital Twin ein Monitoring aus der Produktion in Echtzeit bieten.

Komplex wird ein Digitaler Doppelgänger als Werkzeug des IoT, wenn alles Relevante verknüpft wird. Also die 3D Zeichnungen mit den gesamten Materialeigenschaften und realen oder generierten Prozesswerten aus dem Betrieb verbunden sind.  Dann entsteht ein höchst integriertes Gesamtsystem, dass sich zur Analyse, Simulation und Prognose nutzen lässt. Essentiell ist dabei, dass die vorhandenen Daten in Echtzeit erfasst und verarbeitet werden können. Leistungsstarke Computer und zuverlässige Software sind dazu notwendig.

Für Ihr Unternehmen bietet der Einsatz des Digitalen Zwillings folgendes: Er hilft Kosten zu sparen und die Effizienz zu steigern. Darüber hinaus optimiert er auch das Product Lifecycle Management, kurz PLM. Digitale Zwillinge können in zahlreichen Bereichen Ihres Unternehmens von Nutzen sein. Dazu zählen Konstruktion, Produktentwicklung, Service, Vertrieb und Marketing.

Welche Voraussetzungen müssen für die Einführung eines virtuellen Geschwisters gegeben sein?

Neue „Wege entstehen dadurch, dass man sie geht“, sagte einst Franz Kafka. Unternehmen, die neue Wege mit einem Digitalen Zwilling oder Geschäftsprozessen in Virtual Reality gehen wollen, raten wir: Seien Sie smart und fangen Sie klein an!

Die heutigen agilen Methoden helfen dabei als Orientierung. In der agilen Welt wird pro Zeitraum (Sprint) ein „minimal überlebensfähiges Produkt“, das Minimum Viable Product (MVP), angestrebt. Dies ist eine erste minimal funktionsfähige Iteration eines Produkts. Beim Digitalen Zwilling eben in virtueller Form.

Sinnvoll ist mit einem Produkt oder einer Produktgruppe für den Digitalen Zwilling zu starten. Hinterlegen Sie für die Digital Twins sämtliche Daten von der Entwicklung über den Vertrieb bis zum Gebrauch. Wichtiger Aspekt ist, dass diese Daten einzeln verfügbar sind und sich über Schnittstellen miteinander verknüpfen lassen. Letztlich sollte für die Umsetzung eines Digital Twins folgendes erfüllt sein:

1. Die Konstruktions- und Stammdaten sind vorhanden
2. Eine IoT Sensorik, die permanent Betriebsdaten erfasst und bereitstellt ist auf den Produkten, Maschinen oder Anlagen installiert
3. Ein Datenpool, in dem sämtliche Werte zusammenlaufen existiert, sei es „on premise“ (lokal) oder in einer Plattform ähnlich einer Cloud.
4. Verfügbarkeit einer Software zur Analyse der Informationen aus dem Datenpool, die diese interpretieren und die gewonnenen Schlussfolgerungen an weitere Applikationen bereitstellen kann

Wichtig ist es zudem, sich einen Dienstleister wie Arnold IT Systems als Berater, Begleiter oder Umsetzer ins Boot zu holen. Die Implementierung eines Digitalen Zwillings erfordert tiefgreifende Expertise der aktuellen Trends und Tendenzen. Dienstleister in diesem Gebiet bringen diese typischerweise mit. Achten Sie bei der Auswahl auch darauf, ob die Referenzen des Dienstleisters zu Ihrem Feld der Industrie passen.

Beispiele und Einsatzgebiete für Digitale Zwillinge

Es gibt heute schon zahlreiche Produkte und Anlangen, die neben der physischen einen virtuelle Doppelgänger besitzen. Das Spektrum an Anwendungen ist dabei sehr breit. Sie reicht von einem Objekt über Baugruppen und Komponenten bis zu riesigen Arealen. Beispiele für große Digital Twins sind die Häfen von Rotterdam und Hamburg. Ein Paradebeispiel einer digitalen Fabrik ist das Elektronikwerk von Siemens in Amberg. In der Architektur sind Beispiele für die Digitalen Twins die Kelchstützen für den neuen Stuttgarter Bahnhof im Zuge von Stuttgart 21.

Für Maschinenbauer und Betreiber von Anlagen sind Digital Twins interessant, die Maschinen oder Anlagen in digitaler Aktion abbilden. So können diese überwacht werden. Durch eine Analyse der Betriebsdaten des realen Einsatzes lassen sich Prozesse optimieren oder verbessern. Auch präventive Wartung oder Remote Anleitung für das Servicepersonal sind dank Digital Twin realisierbar.

Digital Twins sind jedoch nicht nur zur Analyse und Optimierung im laufenden Betrieb von Nutzen. Als Simulations-Werkzeug helfen Sie neue Produkte oder Produkteigenschaften zu entwickeln. Ein internationales Beratungsunternehmen entwickelte beispielsweise für einen deutschen Automobilhersteller einen digitalen Motorblock. Er entstand lediglich aus bereits existierenden Daten aus der Konstruktion. Die Ingenieure des Autobauers nutzen ihn nun das Verhalten von Teilen des Motors bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu simulieren.

Die realen und potentialen Einsatzgebiete der Digital Twins in Entwicklung und Fertigung sind heute schon sehr groß. In Zukunft parallel zum Fortschritt in der Industry of Things, dem Internet der Dinge, werden sie riesig sein. Dabei gilt: je mehr Daten bereitstehen und je nahtloser sich diese über eine Plattform verknüpfen lassen, desto integrierter das Gesamtsystem. Sind weiter Data Management Systeme wie MES und ERP eingebunden ermöglichen sie Teil-Simulationen bis zur vollständigen Auftrags- und Produktionsplanung.

Was gilt es beim Betrieb eines virtuellen Zwillings zu beachten?

Wichtige Aspekte beim Betrieb eines digitalen Zwillings sind die Datensicherheit und die rechtlichen Rahmenbedingungen.

Datensicherheit beim Betrieb eines Digital Twins:

Datensicherheit ist ein wesentlicher Bestandteil des Betriebs eines virtuellen Zwillings. Da digitale Zwillinge eine Vielzahl an Daten enthalten, müssen diese Daten vor unautorisiertem Zugriff geschützt werden. Es ist wichtig, sicherzustellen, dass Datenbanken sicher konfiguriert und vor Angriffen geschützt sind. Darüber hinaus sollte man sicherstellen, dass nur berechtigte Personen auf die Daten zugreifen können. Ein wichtiger Schritt zur Sicherung von Daten ist die Implementierung von Zugriffskontrollen und die Verwendung von Verschlüsselungstechnologien.

Rechtliche Rahmenbedingungen beim Betrieb eines Digital Twins:

Rahmenbedingungen sind ein weiteres wichtiges Thema beim Betrieb eines virtuellen Zwillings. Es ist wichtig, sicherzustellen, dass alle rechtlichen Anforderungen erfüllt werden, wie beispielsweise Datenschutz- und Informationsfreiheitsgesetze. Es ist auch wichtig zu überprüfen, ob es für den Betrieb des virtuellen Zwillings bestimmte Vorschriften oder Regelungen gibt, die einzuhalten sind.

Ein weiterer wichtiger Faktor bei der rechtlichen Überprüfung des virtuellen Zwillings ist die Frage, ob er patentierte Technologien verwendet. In einigen Fällen kann der Einsatz eines virtuellen Zwillings die Verletzung von Patentrechten darstellen. Es ist daher wichtig, sicherzustellen, dass alle erforderlichen Lizenzen vorhanden sind und dass die Patente bei Bedarf erworben werden.

Es ist ebenfalls wichtig, über die rechtlichen Konsequenzen nachzudenken, die bei einem Ausfall des virtuellen Zwillings auftreten können. Wenn ein virtueller Zwilling beispielsweise für den Betrieb einer Anlage verantwortlich ist, ist es wichtig, Vorkehrungen zu treffen, um den Schaden im Falle eines Ausfalls zu minimieren. Hierzu können beispielsweise Verträge über die Übernahme der Verantwortung oder Versicherungen abgeschlossen werden.