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Definition Was ist ein Digitaler Zwilling?

| Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Stefan Luber / Nico Litzel

Ein Digitaler Zwilling repräsentiert ein reales Objekt in der digitalen Welt. Es kann sich um materielle oder immaterielle Objekte handeln. Die Digitalen Zwillinge sind aus Daten und Algorithmen aufgebaut und können über Sensoren mit der realen Welt gekoppelt sein. Für die Prozesse der Industrie 4.0 stellen Digitale Zwillinge die Basis dar.

(Bild: © aga7ta - stock.adobe.com)

Reale Objekte lassen sich mit Daten und Algorithmen als Digitale Zwillingen abbilden. Sie beschreiben die Eigenschaften und das Verhalten der realen Objekte unter bestimmten Bedingungen und können über Sensoren in Echtzeit mit der realen Welt in Verbindung stehen. Bei den abgebildeten Objekten kann es sich um materielle oder immaterielle Objekte wie Produkte, Dienstleistungen oder Prozesse handeln. Die Objekte können tatsächlich in der realen Welt bestehen oder für die zukünftige Verwendung geplant sein.

Dank der Kopplung mit realen Daten, wie Umgebungsbedingungen oder Maschinenpositionen, erlauben die Digitalen Zwillinge die Durchführung von komplexen Analysen und Simulationen. Für die Digitalisierung von Produktionsprozessen und die Industrie 4.0 stellen Simulations-, Analyse-, Produktions- und Entwicklungsprozesse mit Digitalen Zwillingen die Basis dar. In der Industrie 4.0 begleiten die Digitalen Zwillinge den kompletten Entwicklungs-, Produktions- und Betriebszyklus eines Produktes oder Services. Abläufe lassen sich dank virtueller Simulationsmodelle planen, optimieren und anpassen.

Aufbau und Architektur Digitaler Zwillinge

Die Erstellung eines Digitalen Zwillings erfordert verschiedene Elemente. In der Regel sind das ein reales abzubildendes Objekt, ein virtueller Darstellungsraum und Daten zu den Umgebungsbedingungen. Die Zwillinge werden durch gesammelte Echtzeitdaten des realen Objekts und beschreibende Algorithmen erstellt und in einem digitalen Darstellungsraum abgebildet. Oft findet ein modulares Konzept Verwendung, bei dem sich der Digitale Zwilling aus vielen einzelnen Digitalen Zwillingen zusammensetzt. Beispielsweise besteht ein Digitaler Zwilling eines Autos aus den einzelnen Zwillingen des Motors, der Karosserie, des Fahrwerks, der Reifen und weiterer. Der Motor setzt sich wiederum aus Digitalen Zwillingen einzelner Motorkomponenten zusammen. Digitale Zwillinge einer kompletten Produktionsanlage lassen sich in drei grundlegende Einzelzwillinge unterteilen. Diese sind:

  • Der Digitale Produktzwilling in Form eines CAD- oder 3D-Modells,
  • der Digitale Produktionszwilling in Form von Maschinen, Werkzeugen und Programmen und
  • der Digitale Leistungs- oder Ausführungszwilling in Form von Produktions- oder Qualitätskennzahlen, Lieferzeiten und Produktionszeiten.

Da in komplexen Modellen Digitaler Zwillinge große Datenmengen anfallen, kommen häufig Anwendungen und Datenbanktechniken aus dem Big-Data-Umfeld zum Einsatz.

Die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten des Digitalen Zwillings

Eines der wichtigsten Einsatzgebiete des Digitalen Zwillings ist die Produktionstechnik. Die Zwillinge finden über den kompletten Lebenszyklus eines Produktes Verwendung. In der Designphase ermöglicht der Digitale Zwilling die Berücksichtigung und Umsetzung komplexer Produktanforderungen ohne real erstellte oder veränderte Objekte wie Prototypen. Mit dem Digitalen Zwilling lassen sich für die verschiedenen Designalternativen Simulationen und Tests virtuell durchführen. In der Produktionsphase hilft der Zwilling die Effizienz und Qualität der Herstellungsprozesse zu verbessern. Weitere Einsatzphasen des Digitalen Zwilling während des Lebenszyklus eines Produkts sind die Nutzungsphase und die Wiederverwertungsphase.

Ebenfalls ein typisches Einsatzgebiet der Digitalen Zwillinge sind Prüfungen im Zulieferbereich. Ein Hersteller kann mithilfe eines digitalen Abbilds feststellen, ob ein Werkstück eines Zulieferers die benötigten Eigenschaften besitzt, ohne dass ein reales Werkstück produziert oder geliefert werden muss. Auch die Herstellungsprozesse lassen sich virtuell planen, erproben und optimieren. Damit Digitale Zwillinge unternehmensübergreifend einsetzbar sind, müssen im Vorfeld Schnittstellen und digitale Modelle zwischen den Beteiligten abgesprochen sein.

Vorteile durch den Einsatz des Digitalen Zwillings

Der Einsatz eines Digitalen Zwillings bietet eine Vielzahl an Vorteilen. Konzepte lassen sich im Vorfeld validieren und Prozesse oder Produkte in virtuellen Umgebungen ausgiebig testen. Die Gefahr von Fehlern oder Störungen in realen Prozessen reduziert sich. Qualitäts- und Effizienzsteigerung in der Produktion sind die Folge. Darüber hinaus sinken Entwicklungs- und Einführungszeiten der Produkte oder Prozesse und die Gesamtflexibilität steigt. Im Folgenden kurz zusammengefasst die wichtigsten Vorteile beim Einsatz Digitaler Zwillinge:

  • Zeitersparnis in der Entwicklung und Produktion,
  • Optimierung des Anlagen- und Prozessdesigns schon in der Planungsphase,
  • reibungslose Inbetriebnahmen durch vorherige Simulationen und Tests,
  • von Beginn an fehlerfreie, optimierte Betriebsprozesse,
  • effiziente Modifikationen von Produkten und Prozessen durch Tests und Simulation der Auswirkungen in digitalen Umgebungen,
  • aussagekräftige Prognosen über Eigenschaften, Leistungen und Betriebsverhalten von Produkten und Anlagen,
  • tiefes Verständnis von Abläufen und Prozessen durch eingehendes Studium des Verhaltens Digitaler Zwillinge,
  • ganzheitliche Sicht auf Produkte und Anlagen in Echtzeit und eine
  • einfachere und schnellere Abstimmung mit Zulieferern durch Prüfung der Produkteigenschaften eines Werkstücks mithilfe seines Digitalen Zwillings

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