Digitale Zwillinge: Produktion mit Computermodellen vorhersagen

Begonnen hat es mit einigen Strichen auf dem Bildschirm, heute lassen sich nahezu alle Aspekte eines Produkts, Informationen, Verhaltensweisen und Simulationen digital abbilden – es entsteht ein sogenannter „Digital Twin“ des Produkts. Dieser digitale Zwilling ermöglicht es, das Produkt virtuell zu testen, zu benutzen und realistisch zu simulieren. Erklären lässt sich das am Beispiel eines Alltagsgegenstandes: Der digitale Zwilling eines Smartphones ist nicht mehr nur ein bloßer 3D-Datensatz sowie die Software-Emulation seiner Funktionen. Mit ihm wird es möglich, das Telefon in einer virtuellen Simulation zu Boden fallen zu lassen und die Beschädigungen anzusehen, die dabei entstehen. Es ist möglich, den Empfang und das Senden des Mobiltelefons zu modellieren und damit zu analysieren, ob es die gewünschte Reichweite erreichen wird. Dieses Konzept lässt sich auch für industrielle Anwendungen, zum Beispiel in der Fertigung, nutzen. Die Weiterentwicklung des digitalen Zwillings ist der digitale Zwilling der Fertigung. Dieser dient nicht nur zur Konstruktion und Platzierung der notwendigen Anlagen und zur Planung der Abläufe, die den Produktionsprozess bilden. Er bildet letztendlich die Basis für die Steuerung dieser Fertigung.

Für die Planung der Fertigung und die Entwicklung der Betriebsmittel ist natürlich das 3D-Modell des Produkts die wichtigste Grundlage. Auf Basis der CAD-Daten des Produkts, seiner Baugruppen und Einzelteile wird die Abfolge der Herstellungsschritte definiert, Maschinen definiert, die diese Schritte durchführen und NC-Programme erstellt, um diese Maschinen zu steuern. Gleichzeitig erstellt die Qualitätssicherung Messprotokolle und -programme, um die relevanten Eigenschaften zuverlässig überwachen zu können, und die Betriebsmittelkonstruktion entwickelt Halter, Greifer, Träger und alle anderen Gerätschaften, die im Ablauf der Fertigung benötigt werden. Diese Weiternutzung geometrischer Modelle ist heute schon in vielen Firmen tägliche Routine. Doch die 3D-CAD-Modelle enthalten heute weit mehr Informationen als nur die Geometrie, beispielsweise Materialdaten, Schwerpunkte und Gewichte. Diese Metadaten sind beispielsweise für die Logistik interessant, wo schon während der Konstruktionsphase passende Verpackungen entwickelt und Transportsimulationen durchgeführt werden können. So lässt sich unter anderem feststellen, wie viele Packungen übereinander auf eine Palette gestapelt werden können.

Stetig zunehmende Elektronik und Software-Steuerungen in Produkten führen dazu, dass immer mehr Daten generiert werden. Diese Daten bieten hohe Potenziale und sind, richtig eingesetzt, ein wahrer Schatz für Unternehmen. Allerdings liegen sie oft in voneinander getrennten Datensilos ab, sodass beispielsweise Software-Entwickler keinen Zugriff auf die CAD-Daten der Anlage haben. Moderne Entwicklungsumgebungen lösen das Silo-Problem, indem sie sämtliche Produktdaten aus allen Quellen zusammenfassen und miteinander kombinieren. Das ist besonders smart im Hinblick auf die Digitalisierung. Dabei entsteht eine umfassende und integrierte digitale Repräsentation des Produkts – der digitale Zwilling. Diese Integration ermöglicht es beispielsweise, die Steuerung digital zu simulieren und die Steuerungsprogramme auf dieser simulierten Umgebung ablaufen zu lassen. In der Verbindung mit dem 3D-Modell des Produkts lässt sich dieser Ablauf visualisieren und am digitalen Modell analysieren. Fachleute nennen dies „software-in-the-loop“. Der nächste Schritt in Richtung Realität ist der Anschluss des realen Steuerungsterminals an den Computer und damit die Steuerung des virtuellen Produkts durch die Originalsteuerung: „hardware-in-the-loop“.

So gelingt es beispielsweise, eine komplette virtuelle bzw. digitale Fertigungsanlage in Betrieb zu setzen. Maschinensteuerungen können berechnen, wie lange eine Bearbeitung dauert, so dass in dieser Simulation auch die Materialströme und -takte realistisch abgebildet werden können. Auf diese Weise lässt sich – lange bevor die erste Anlage aufgestellt und die Fertigung eingerichtet ist – analysieren, wie die Fertigung läuft, wo sich der Materialfluss staut und welche Anlagen zum Flaschenhals werden könnten. Die Fertigungsplanenden können am grünen Tisch so lange analysieren und korrigieren, bis ein optimaler Ablauf gewährleistet ist. Damit lassen sich anhand des „Digital Twins“ bereits im Vorfeld immense Summen sparen. Denn Änderungen an einer fertig eingerichteten Fabrikation können riesige Aufwände verursachen. Im Zweifel können Optimierungen gar nicht mehr vorgenommen werden, weil Maschinen mit ihrem Fundament bereits positioniert sind – was wiederum fatale Folgen für die Effizienz der späteren Produktion haben kann. Dank der Planung am digitalen Zwilling passieren solche Fehler nicht. Doch diese digitale bzw. virtuelle Fabrik wird mit der Umsetzung in die Realität nicht überflüssig, sondern kann – nun gespeist mit den realen Daten der Fertigung – parallel mitlaufen. Dies ermöglicht zum einen eine genaue Überwachung der laufenden Fertigung und zum anderen zeigen Abweichungen zwischen realer und virtueller Anlage, wo ungewollte Abweichungen vom Soll-Zustand auftreten. So kann frühzeitig reagiert werden, wenn sich Probleme erst entwickeln. Unter anderem lässt sich berechnen, wie sich der Verschleiß der Bohr- und Fräswerkzeuge auf die Fertigungsqualität auswirkt und wie schnell die Werkzeuge verschleißen. Auf Basis dieser Daten können dann rechtzeitig Ersatzwerkzeuge bestellt und eingesetzt werden, bevor die Qualität leidet. Die Qualität wird gesichert, die Effizienz gesteigert und Stillstand vermieden.

Natürlich eignet sich ein solcher Zwilling hervorragend dazu, Änderungen an der Fertigungsanlage zu testen. Von Servicearbeiten bis zur Umstellung auf ein Nachfolgeprojekt – die Ideen lassen sich am digitalen Modell testen, ohne die reale Fertigung zu stören. Diese stellt auch eine gute Grundlage für die Zukunft in der Fertigung, die Industrie 4.0 dar. So bietet der „Digital Twin“ die Möglichkeit, fundierte und smarte Entscheidungen zu treffen, die ansonsten auf Annahmen basieren würden. Umbauten und Service lassen sich präzise planen und durchführen, ungeplante Ausfallzeiten reduzieren und Kosten einsparen.