Digital Twin: Mit IoT und Cloud zum digitalen Testobjekt

Digitale Vorreiter

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Datum 11.04.2019
Lesezeit 7 Min.

Digital Twin: Mit IoT und Cloud zum digitalen Testobjekt

Mit Digital-Twin-Verfahren können Sie Neuentwicklungen vorab testen, ohne gleich reale Prototypen zu bauen. Das Verfahren sorgt für bessere Projektergebnisse, da Veränderungen schnell umgesetzt und deren Auswirkungen sofort sichtbar gemacht werden können. Auch bestehende Produktionslinien profitieren von digitalen Pendants.

Ein Digital Twin oder digitaler Zwilling ist das computergenerierte Duplikat eines Produkts, Prozesses oder Dienstes, an dem getestet und experimentiert werden kann. Möglich wird dieses Optimierungsverfahren unter anderem durch Mechanismen der künstlichen Intelligenz, Big-Data-Analysen in der Cloud und IoT-Komponenten. Es sorgt für Kostenersparnis, ermöglicht vorausschauende Wartung und liefert wichtige Erkenntnisse über Optimierungspotenzial. Der Digital Twin als Kind der Industrie 4.0 ist somit einer der spannenden Brückenschläge zwischen digitaler und realer Welt.

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Digital Twins: Das steckt dahinter

Digital Twin. Der digitale Zwilling. Das klingt zunächst ziemlich futuristisch, wie ein Begriff aus einem Science-Fiction-Film oder einem Computerspiel, aber auch ominös, so als könnte man sich bald einen Bruder oder eine Schwester herunterladen und ausdrucken. Dahinter verbirgt sich jedoch etwas sehr Plastisches.

Man stelle sich vor, jemand hätte beispielsweise eine Flugzeugturbine digital nachgebaut, einschließlich Rotorblättern, Leitungen und Einzelteilen. Das virtuelle Abbild kann nun auf einem User Interface dargestellt werden, kann aus allen Blickwinkeln betrachtet und komplett durchleuchtet werden. Das Beste daran: Über die digitale Abbildung kann man das reale Objekt überwachen, was völlig neue Handlungsspielräume eröffnet.


Sensoren in der Flugzeugturbine melden wichtige Kennzahlen wie Temperatur, Vibrationen oder Ölstand und stellen sie direkt auf einer Nutzeroberfläche dar, die von Ingenieuren oder Experten überwacht werden kann. So entsteht ein umfassendes „Gesundheitsbild“ des Systems, das im Übrigen auch über das User Interface ferngesteuert und bedient werden kann. Damit sind die Möglichkeiten dieser Technologie jedoch noch lange nicht erschöpft. Digital Twins können Produktionsstraßen steuern, gesundheitliche Patientendaten ganzheitlich abbilden, Windkraftanlagen und Rechenzentren überwachen und in Zukunft sogar den Straßenverkehr und die Beleuchtung ganzer Großstädte lenken. Die Möglichkeiten sind grenzenlos.

In einer derart vernetzten und selbstständig denkenden Welt ist schnelles Internet ein absolutes Muss, was neben dem großflächigen Ausbau des Kabelnetzes auch den Ausbau leistungsstarker Mobilfunkstandards wie 5G erfordert. Erst dann können wir uns die Vorteile des Internet of Things in allen Facetten zunutze machen und der Digital Twin sein volles Potenzial entfalten.

 

Digital Twin-Verfahren: Kostenersparnis durch Modellierung

Ein digitaler Zwilling eines geplanten oder bereits bestehenden Produkts ermöglicht es also, dessen (geplante) Eigenschaften in der Realität mit wenig Aufwand zu überprüfen und zu verändern. Neben Gebäude- und Stadtplanungsentwürfen können beispielsweise auch Autos und deren Fahreigenschaften oder Fabriken und darin befindliche Maschinen virtuell modelliert werden.

Verschiedene Anforderungen müssen erfüllt sein, damit die Realisierung von digitalen Zwillingen in der Praxis gelingt:

  • Zum Objekt, das digital modelliert werden soll, müssen Konstruktionspläne vorliegen oder erstellt werden.
  • Eine geeignete Cloud-Lösung sollte sämtliche Daten sammeln und mit Hilfe geeigneter KI- und/oder Big-Data-Algorithmen auswerten.
  • Es müssen geeignete Schnittstellen zu betroffenen Anwendungen geschaffen werden, die die gewonnenen Erkenntnisse in ein angepasstes Modell überführen.
  • Wo möglich und sinnvoll, sollte eine 3D-Visualisierungssoftware zum Einsatz kommen, die das Objekt als Virtual-Reality-Objekt mittels VR-Brille erlebbar macht.
  • Bei Maschinen und bereits bestehenden Objekten: IoT (Internet of Things)-Sensoren sollten fortlaufend die relevanten Betriebsdaten erfassen und übermitteln.

Das Besondere an digitalen Zwillingen ist, dass sie anders als real nachgebaute Prototypen laufend verändert werden können. So wird es möglich, Dinge auszuprobieren und Parameter in der Testumgebung zu verändern – ohne langwierige Umarbeitungsprozesse, Ausfallzeiten oder Probleme im laufenden Betrieb.

 

Video: YouTube / Geospatial World

 

Dank IoT ergeben sich für Digital Twins völlig neue Möglichkeiten

Produktionsanlagen bestehen oft aus einer Vielzahl miteinander interagierender Maschinen, Roboter und Steuerungselementen. Hier bietet das Digital-Twin-Verfahren in Kombination mit dem Internet der Dinge (IoT) jede Menge Einspar- und Optimierungspotenzial.

Mittels 5G-Mobilfunk und SD-WAN-Technologie vernetzte und an den Anlagenkomponenten angebrachte IoT-Sensoren übermitteln laufend Daten in die Cloud, wo sie ausgewertet und im digitalen Modell (Zwilling) angezeigt werden.

So können Abweichungen vom normalen Betriebsverhalten des Systems umgehend identifiziert und gegebenenfalls adressiert werden, bevor es ein Problem gibt. Außerdem lassen sich Optimierungsansätze mit wenig Aufwand ausprobieren und deren Auswirkungen am Modell beobachten.

Doch nicht nur in Produktionsanlagen hilft das Internet der Dinge dabei, Kosten zu senken und Ressourcen zu schonen – auch im Motoren- und Triebwerksbau, also bei in sich geschlossenen Systemen, hilft eine exakte Modellierung des Systems. Eine IoT-Vernetzung liefert Einsichten in möglichst viele wichtige Betriebsparameter: So kann auch das Verhalten des geschlossenen Systems unter verschiedenen Bedingungen näherungsweise vorhergesagt werden.

 

Bei Airbus und Bosch Rexroth kommen digitale „Zwillinge” bereits zum Einsatz

Der paneuropäische Flugzeughersteller Airbus beschäftigt sich schon länger mit Digital Twins seiner Produktionsanlagen: Bislang vergehen nach der Auftragserteilung für einzelne Produktions- und Montageschritte bis zu sechs Tage, bevor es eine Rückmeldung zum Erfolg gibt. In dieser Zeit läuft die Fertigung in einer Art „Black Box” ab, ohne dass Fortschritte oder mögliche Probleme bekannt werden. Eine engere Überwachung der Abläufe gestaltet sich schwierig, da die Spezialisten in den Montageteams ein extrem autarkes Arbeiten gewohnt sind. Eckart Frankenberger, Head of Industrial Architecture & Manufacturing Strategy bei Airbus, gibt zu: „Unser Hauptthema ist es, immer zu wissen, was in der Produktion vor sich geht.”

Dank IoT-Komponenten und eines digitalen Zwillings der entsprechenden Fertigungslinie könnten Aircraft Manager jederzeit sehen, welchen Schritt die Produktion gerade durchläuft. Lieferengpässe oder mögliche Probleme, die eines Eingriffs oder einer Ersatzteillieferung bedürfen, würden schneller erkannt. Bisher sind Digital-Twin-Modelle nur in der Planung von Montagestraßen und Produktionsabläufen als Pilotprojekt im Einsatz, doch Airbus sieht darin großes Potential. Insbesondere in der kritischen End- und Ausrüstungsmontage, wo einzelne Arbeitsschritte nicht mehr so deutlich zu erkennen sind, wie in der Strukturmontage, sieht Airbus Einsparpotential von etwa 20 Prozent Montagezeit: Die Anbringung der Flügel etwa ist einfach nachzuvollziehen, während die Fertigstellung der Innenräume oft an Lieferengpässen der vielen Kleinteile „hängt”.

Auch bei Bosch Rexroth, einer Tochterfirma des Technologieunternehmens Bosch, kommen Digital-Twin-Verfahren zum Einsatz: Eine 3D-Visualisierung von Konstruktionsplänen dient als zentrale Informationsquelle für Ingenieure und Programmierer. Außerdem greifen alle Plattformfunktionen für das virtuelle Engineering auf eine gemeinsame Datenbasis in der Cloud zu. In der Folge können neue Maschinen in kürzester Zeit zunächst virtuell entwickelt und danach real in Betrieb genommen werden. In der Folge sinkt die Time-to-Market für neue Produkte oder Produktbestandteile erheblich.

Auch individuelle Kundenlösungen lassen sich mit Hilfe der virtuellen Modelle auf Wunsch als Einzelanforderung entwickeln, ohne dass die Entwurfs- und Optimierungskosten den ROI beim Kunden oder bei Bosch selbst übersteigen.

 

Video: YouTube / Newsplex Now

 

Zusammenfassung

  • Mit Digital-Twin-Verfahren können Sie Ihre Produktions- und Planungsprozesse optimieren und vereinfachen.
  • Erstellen Sie digitale Zwillinge Ihrer Produktionslinie, eines geplanten Produkts oder von Fertigungsstätten an anderen Orten.
  • Mit Hilfe von IoT-Daten und Cloud-Anwendungen können Sie bestehende Prozesse optimieren, verschlanken und somit Kosten reduzieren.
  • Das im Aufbau befindliche 5G-Netz zusammen mit SD-WAN-Technologie hilft bei der notwendigen Vernetzung zwischen Ihren Standorten.
  • Unternehmen wie Airbus und Bosch Rexroth nutzen digitale Modelle, um Abläufe zu optimieren und schnell und effizient neue Produktionssysteme einzuführen.

 

Welche Einsatzmöglichkeiten für digitale Zwillinge gibt es in Ihrem Unternehmen? Wir freuen uns auf Ihren Kommentar.

 

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