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Grundlagenwissen Digitaler Zwilling Digitaler Zwilling in der Produktentwicklung

Die Digitaler-Zwilling-Entwicklung zählt zu den zehn Top-Technologietrends und bildet eine der Säulen von Industrie 4.0. Die Technik soll 2022 zur vollständige Reife gelangt sein. Der vorliegende Artikel befasst sich mit dem Einsatz eines Digitalen Zwillings in der Produktentwicklung.

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Der Einsatz eines Digitalen Zwillings in der Produktentwicklung eröffnet ganz neue Handlungsspielräume.
Der Einsatz eines Digitalen Zwillings in der Produktentwicklung eröffnet ganz neue Handlungsspielräume.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Ein reales Objekt in der digitalen Welt möglichst 1 : 1 abbilden: Das ist das Ziel des Digitalen Zwillings. Ein Digitaler Zwilling wird aus Daten und aus Algorithmen aufgebaut. Sensoren koppeln ihn an die reale Welt an. Es gibt drei Spielarten des Digitalen Zwillings:

- Digitaler Produkt Twin: Relevant in der Produktentwicklung

- Digitaler Production Twin: Relevant in der Maschinen-/Anlagenplanung, Produktion

- Digitaler Performance Twin: Relevant in der Evaluation des Produkts - Einhalten von Lieferzeiten, Qualitätskontrolle

Der Abschied vom Prototypenbau

Im digitalen Zeitalter offenbart das Pythagoras-Zitat "Alles ist Zahl" seine ganze Wahrheit. Ein vollkommener digitaler Zwilling ist Zahl und Algorithmus - je mehr (relevante) Zahl, desto besser. Für die Anlage eines digitalen Zwillings, der in der Produktentwicklung von Industrie 4.0 den Prototypenbau ersetzt, müssen so viele Daten wie möglich gesammelt werden. Ein digitaler Zwilling ist immer ein virtuelles Modell und stellt Objekte, Prozesse oder Dienstleistungen dar, die in der realen Welt noch nicht existieren müssen - sie können sich ebenso gut in der Produktentwicklung befinden. Diesen Bereich der Industrie 4.0 wird die Technik des digitalen Zwillings in den nächsten Jahren tiefgreifend verändern.

Die drei Elemente, aus denen ein digitaler Zwilling besteht:

- Reales Objekt

- Digitaler Zwilling im virtuellen Raum

- Informationen, die beide Objekte miteinander verbinden

Wissenswert: Digitaler Zwilling als modulares System

Komplexe Objekte wie ein Auto stellen ein System verschiedener aufeinander abgestimmter Komponenten dar. Dementsprechend müssen für alle diese Komponenten miteinander kommunizierende digitale Zwillinge angelegt werden. Auch sind weitere Unterebenen möglich - beim Motor beispielsweise, dessen wichtigste Funktionsteile wiederum durch digitale Zwillinge erfasst werden.

Datensammlung mit Augenmass

Ein digitaler Zwilling beschränkt sich in der Produktentwicklung nicht allein auf das maximal identische Abbild eines real oder virtuell existierenden Objektes/Prozesses/einer Dienstleistung. Das Abbild muss auch noch zum Leben erweckt werden. Dazu werden möglichst viele Daten mithilfe von Sensoren und Schnittstellen an vergleichbaren realen Objekten gemessen und gesammelt. Handelt es sich um sehr komplexe Objekte/Prozesse/Dienstleistungen, wird keine akademische Vollständigkeit angestrebt; vielmehr kommt es darauf an, die wichtigsten Merkmale und Parameter zu sammeln, mit denen ein digitaler Zwilling 'gefüttert' werden kann. Man spricht hier von 'Granularität': dem Verdichtungsgrad von Daten. Ziel der Datensammlung ist es immer, dass der digitale Zwilling sich in der Produktentwicklung genauso verhält wie ein reales Objekt in der realen Welt.

Beispiel Granularität

Granularität beschreibt den Verdichtungsgrad von Daten. Je nach beschriebenen Ober- und Unterebenen (-kategorien) werden die Daten grob- oder feinkörniger gesammelt. Je umfangreicher das zu beschreibende Objekt, Produkt beziehungsweise die Dienstleistung oder der Prozess ist, für das ein digitaler Zwilling angelegt werden soll, desto grobkörniger die Granularität. Das bedeutet auch: Um mit dem Modell des digitalen Zwillings pragmatisch arbeiten zu können, müssen aus diesen riesigen Datenmengen alle unverzichtbaren Informationen herausgefiltert werden. Ein Beispiel sind die digitalen Zwillinge der Häfen Hamburg und Rotterdam. Hier hat sich die Produktentwicklung darauf beschränkt, alle relevanten Hafenbereiche im digitalen Zwilling nachzubauen. Mit der Optimierung dieser Herz- und Leistungsbereiche gewinnt die Entwicklung unwillkürlich positiven Einfluss auf alle nachgeordneten Bereiche.

Neue Handlungsspielräume mit dem digitalen Zwilling

In der Produktentwicklung ziehen mit der Virtualität von Kosten- und Zeitersparnis neue Handlungsspielräume ein. Bisher waren Konstrukteure und Designer immer noch auf den Prototypenbau oder aufwändige Labortests angewiesen, wenn sie im Lauf der Entwicklung das Verhalten und die Eigenschaften des entstehenden Produktes überprüfen wollten. Das gehört mit der Digitaler-Zwilling-Methode der Vergangenheit an. Die Produktentwicklung vereinfacht sich, indem am digitalen Zwilling Adaptionen und Veränderungen schnell und ohne Schaden geprüft werden können.

Design-Varianten sind mit wenig Aufwand und plastisch darstellbar. Ebenso wichtig für die Entwicklung ist ein möglichst reeller Blick in die Zukunft des entwickelten Produkts. Auch hier wird ein digitaler Zwilling ganz neue Horizonte öffnen. Komplizierte physikalische Tests eines Produkts gehören dann der Vergangenheit an. Ein perfekter digitaler Zwilling lässt in der Produktentwicklung 1 : 1 Simulationen über den gesamten Produktlebenszyklus zu. Wie verhält sich das Produkt im normalen Betrieb? Wie altert es? Wie reagiert es auf bestimmte Umweltbedingungen? Was passiert bei Überlastung? Solche und andere Fragen werden bereits im Prozess der Produktentwicklung geprüft und fliessen wiederum in die Entwicklung zurück. Gleiches gilt selbstverständlich auch für die Produktentwicklung einer Dienstleistung oder eines Prozesses.

Konstruktionsverbesserungen durch den digitalen Zwilling

Ein digitaler Zwilling macht sich in der Produktentwicklung physikalische Modelle zunutze, mit denen das reale Verhalten von Konstruktionen vorhergesagt werden kann. Moderne Konstrukteure greifen auf bionische Strukturen, beispielsweise Wabenmuster, zurück. Diese modernen Konstruktionsmuster erlauben ganz neue Ansätze, die zu verbesserten Produkteigenschaften führen zur Reduzierung des Gewichts bei gleichzeitiger Erhöhung der Stabilität. Eine solche revolutionierte, auf Simulationen basierende Produktentwicklung gelingt nur in Verbindung mit der Digitaler-Zwilling-Technik.

Produktoptimierung auch nach Abschluss der Produktentwicklung

Ein digitaler Zwilling ist kein statisches 'Wesen'. Er adaptiert und verbessert sich fortlaufend. Unter der Produktentwicklung werden an dem virtuellen Modell Schwachstellen erkannt und eliminiert.

Diese während der Entwicklung genutzte fortlaufende Optimierung 'vererbt' sich auch auf die Produktnutzung weiter. Ein digitaler Zwilling kann einen Betrieb oder eine Anlage permanent auf die Funktionstüchtigkeit überprüfen. Das gilt selbstverständlich auch für Produkte. So könnte ein Fahrrad den Benutzer darauf hinweisen, wann Kette oder Felgen abgenutzt sind und ersetzt werden müssen.

Digitaler Zwilling in der Produktentwicklung: Die Vorteile

- Bereits vor der Produktion lassen sich Konzepte und Ideen beliebig validieren

- Die Produktentwicklung kann ihren Arbeitsprozess durch unaufwändige Tests und Simulationen in der virtuellen Umgebung abschliessen/verfeinern

- Die Funktionen und Prozesse lassen sich anhand des Verhaltens der digitalen Zwillinge ausgiebig studieren

Ein Beispiel für die Wirksamkeit des digitalen Zwillings in der Produktentwicklung

Beim Autobauer Maserati ist der Begriff Digitaler Zwilling längst in die Werkhallen eingezogen. Dem Luxusautohersteller aus Turin ist es damit gelungen, die Zeitdauer der Produktentwicklung neuer Modelle von 30 auf 16 Monate zu verkürzen. <<

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