Wenn wir Maschinen für eine vernetzte Welt entwickeln, kann der traditionelle Werkzeugkasten des Betriebsleiters oder Ingenieurs ziemlich leer aussehen. Da unsere Anlagen und Systeme immer komplizierter werden, muss sich auch die Art und Weise, wie wir für sie entwickeln, sie verwalten und warten, weiterentwickeln.
Wir brauchen Werkzeuge, die den neuen Realitäten von softwaregesteuerten Produkten gerecht werden, die von der digitalen Disruption angetrieben werden. Hier kommt der digitale Zwilling (Digital Twin) ins Spiel. Es ist ein technologischer Sprung durch den Spiegel in das Herz der physischen Assets. Digitale Zwillinge geben uns einen Einblick in das, was mit physischen Vermögenswerten jetzt und weit in der Zukunft passiert oder passieren kann.
Steigende Relevanz im Kontext der Industrie 4.0
Dass dieser Ansatz in den letzten fünf Jahren an Bedeutung gewonnen hat, zeigt die Statistik der Suchen nach dem „Digitalen Zwilling“. Daher möchten wir auf die Typologie von digitalen Zwillingen eingehen und für Sie zusammenfassen, was sich hinter diesem Konzept und Ansatz befindet und welche Mehrwehrte im Rahmen der Digitalisierung, Industrie 4.0 und des Internet of Things daraus resultieren [1].
Was ist ein digitaler Zwilling (Digital Twin)
Ein digitaler Zwilling ist eine Software-Darstellung einer realen Einheit oder eines Prozesses, aus der Sie Simulationsdaten erzeugen und analysieren können. Auf diese Weise können Sie die Effizienz verbessern und Probleme vermeiden, bevor die Geräte überhaupt gebaut und eingesetzt werden.
Ein digitaler Zwilling ist eine digitale Repräsentation eines physischen Objekts, Prozesses oder Services. Ein digitaler Zwilling kann ein digitales Abbild eines Objekts in der physischen Welt sein, wie z. B. Windparks, oder auch größere Objekte wie Gebäude oder sogar ganze (Innen-)Städte. Neben physischen Objekten kann die digitale Zwillingstechnologie auch zur Replikation von Prozessen verwendet werden, um Daten zu sammeln, die Vorhersagen über deren Leistung ermöglichen.
Der digitale Zwilling und das Internet of Things (IoT)
Die explosionsartige Zunahme von IoT-Sensoren ist natürlich ein Teil dessen, was digitale Zwillinge möglich macht. Und da IoT-Geräte immer weiter verfeinert werden, können digitale Zwillingsszenarien auch kleinere und weniger komplexe Objekte umfassen, was den Unternehmen zusätzliche Vorteile bringt.
Ein digitaler Zwilling kann verwendet werden, um verschiedene Ergebnisse auf der Grundlage variabler Daten vorherzusagen. Dies ähnelt dem Run-the-Simulation-Szenario, das man oft in Science-Fiction-Filmen sieht, wo ein mögliches Szenario in der digitalen Umgebung erprobt wird. Mit zusätzlicher Software und Datenanalyse können digitale Zwillinge oft eine IoT-Implementierung für maximale Effizienz optimieren und Designern helfen, herauszufinden, wo Dinge hingehören oder wie sie funktionieren, bevor sie physisch eingesetzt werden.
Wie funktioniert ein digitaler Zwilling?
Ein digitaler Zwilling ist im Wesentlichen ein Computerprogramm, das Daten aus der realen Welt verwendet, um Simulationen zu erstellen, die vorhersagen können, wie sich ein Produkt oder ein Prozess verhalten wird. Diese Programme können das Internet der Dinge (Industrie 4.0), künstliche Intelligenz und Software-Analysen integrieren, um den Output zu verbessern. Mit der Weiterentwicklung des maschinellen Lernens und Faktoren wie Big Data sind diese virtuellen Modelle zu einem Grundnahrungsmittel im modernen Engineering geworden, um Innovationen voranzutreiben und die Leistung zu verbessern.
Kurz gesagt, die Erstellung eines solchen Modells, beim Einsatz des digitalen Zwillings, kann die Verbesserung strategischer Technologietrends ermöglichen, kostspielige Ausfälle in physischen Objekten verhindern und durch die Verwendung fortschrittlicher Analyse-, Überwachungs- und Vorhersagefunktionen auch Prozesse und Dienstleistungen testen.
Arten von digitalen Zwillingen
Es gibt mehrere Arten von Simulatoren für digitale Zwillinge.
Produkt-Zwillinge
Dies sind digitale Modelle von separaten Produkten. Hersteller erstellen diese virtuellen Modelle und untersuchen das Produkt unter verschiedenen Bedingungen. Alle notwendigen Änderungen am Produkt können auf der Ebene des Einzelprodukts vorgenommen werden, bevor die Produktionslinie erstellt und ein physisches Produkt hergestellt wird. Dies führt zu einem effizienteren Design und reduziert sowohl die Herstellungskosten als auch die Zeit bis zur Markteinführung.
Prozess-Zwillinge
Dies sind digitale Modelle für Fertigungsprozesse. Mit einem virtuellen Modell, das zeigt, wie ein Produktionsprozess in verschiedenen Szenarien funktionieren kann, können Unternehmen die Funktionsweise in jeder Art bewerten. Dies ist der einfachste Weg, um eine effiziente Produktionsmethodik zu erstellen. Dieser Prozess kann mit einem digitalen Zwilling für jedes vorhandene Gerät fein abgestimmt werden. Für Unternehmen bedeutet dies die Möglichkeit, Systeme zur vorbeugenden Wartung einzurichten. Dies senkt das Auftreten von kostspieligen Ausfallzeiten und beschleunigt die Produktionsabläufe sicher und effizient.
System-Zwillinge
Ein digitaler Zwilling kann auch im Kontext von ganzen Systemen eingesetzt werden. Digitale Modelle werden auch von ganzen Anlagen oder Fabriksystemen erstellt. Es können riesige Mengen an Betriebsdaten von einer Reihe von Geräten sowie von Produkten in einem bestehenden System gesammelt werden. Dies hilft bei der Gewinnung von Erkenntnissen für die Schaffung neuer und besserer Geschäftsmöglichkeiten, die alle beteiligten Prozesse optimieren.
Mögliche Geschäftsanwendungen
Ein digitaler Zwilling besitzt deshalb einen enormen Mehrwert für viele Unternehmen, da dieser in fast allen Branchen und Use-Cases einsetzbar ist. Wir möchten einige Beispiele für den Einsatz des digitalen Zwillings vorstellen.
Die Fertigung ist der Bereich in dem die Einführung digitaler Zwillinge wahrscheinlich am weitesten fortgeschritten ist, wobei Fabriken bereits digitale Zwillinge verwenden, um ihre Prozesse zu simulieren.
In der Automobilindustrie sind digitale Zwillinge möglich, weil Autos bereits mit Telemetrie Sensoren ausgestattet sind, aber die Verfeinerung der Technologie wird noch wichtiger werden, wenn meher autonome Fahrzeuge auf die Straße kommen,
Das Gesundheitswesen ist der Sektor, der die digitalen Zwillinge von Menschen produziert, Sensoren in Pflastergröße senden Gesundheitsinformationen zurück an einen digitalen Zwilling, der das Wohlbefinden eines Patienten überwacht und vorhersagt.
Ein Digitaler Zwilling kann dabei helfen, intelligentere Städte zu planen. In Kombination mit dem IoT können digitale Zwillinge die wirtschaftliche Entwicklung durch ein effizientes Ressourcenmanagement eine Verringerung des ökologischen Fußabdrucks der Industrie und eine allgemeine Steigerung der Lebensqualität verbessern, Basierend auf den Erkenntnissen, die aus mehreren Sensornetzwerken und intelligenten Systemen gewonnen werden, können Stadtplaner bessere Richtlinien für den Betrieb und die Instandhaltung einer Stadt umsetzen und dabei auch die Expansion im Auge behalten
Ein digitaler Zwilling für die Erforschung des Weltraums? Die National Aeronautics (NASA) testet alles Gerätentwürfe in einer virtuellen Umgebung, bevor sie physische Versionen herstellen. Erst wenn es alle notwendigen Anforderungen in digitaler Form erfüllt, gilt ein Raumfahrzeug als fertig für die Herstellung. Derselbe Ansatz kann von Raumfahrtzentren auf der ganzen Welt angewendet werden.
Digitaler Zwilling – Vorteile
Die große Anzahl an Vorteilen, die aus dem Einsatz eines digitalen Zwillings resultieren können, sprechen für das Konzept. Wir möchten auf die wesentlichen Vorteile näher eingehen.
Kostengünstige Produktion eines fehlerfreien Produkts
Der Prozess, ein Produkt vom Reißbrett in den Ausstellungsraum zu bringen, kann teuer sein. Jede Iteration des Produkts beinhaltet mehrere Schritte und Arbeitskosten. Mit digitalen Zwillingen ist ein Unternehmen in der Lage, bestehende oder potenzielle Fehler während der Produktion zu reduzieren, indem es den Ingenieuren die Möglichkeit gibt, das Produkt in einer virtuellen Umgebung zu testen und zu simulieren. Es ist wesentlich kostengünstiger, Fehler in einer virtuellen Umgebung zu korrigieren als in einer realen. Die Hersteller sind in der Lage, alle möglichen Risiken bei der Ausgabe zu eliminieren und sicherzustellen, dass das Produkt, sobald es auf den Markt kommt, wie vorgesehen funktioniert.
Schnelle Time-to-Market für Produkte
Mit einem digitalen Zwilling verkürzen Unternehmen die Zeit bis zur Markteinführung und können die Konkurrenz ausstechen. Der gesamte Lebenszyklus des Produkts kann in einer digitalen Umgebung simuliert werden, wobei alle Verbesserungen schnell und effizient durchgeführt werden können, was das Risiko für das Unternehmen erheblich reduziert. Da die virtuelle Kopie validiert, wie ein Produkt in der Realität funktionieren wird, ist die Entwicklungszeit kürzer.
Vorausschauende Wartung
Ein digitaler Zwilling auch Probleme vorhersehen und Lösungen im Voraus bereitstellen, was als vorausschauende Wartung bezeichnet wird. Alle Remote-Kopien überwachen ständig ihr physisches Gegenstück und sammeln über Sensoren eine Reihe von Informationen. Diese Daten werden in Echtzeit analysiert und eventuelle Ausfallzeiten oder Störungen können vorhergesagt und behoben werden. Menschliche Bediener nutzen diese Informationen, um über Probleme zu berichten und diese sofort zu beheben.
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Die Vorteile dieser Technologie sind erstaunlich und können für Unternehmen, die sie einsetzen, einen entscheidenden Wandel darstellen. Aber wie bei jeder Technologie wird ein digitaler Zwilling auch von einigen Herausforderungen begleitet, die es zu vermeiden gilt, wenn man sich für diese Technologie entscheidet
Datensicherheit
Eines der grundlegenden Probleme mit dem Konzept der digitalen Zwillinge ist das der Datensicherheit und des Datenschutzes. Das System verwendet intelligente Software, die natürlich Zugriff auf eine Vielzahl von Ressourcen und privaten Informationen über Unternehmen hat, was es zu einem Ziel für Cyberangriffe und Datendiebstahlversuche macht. Unternehmen müssen über die Möglichkeiten nachdenken und eine Strategie entwickeln, wenn es um die Implementierung von Sicherheitssystemen für die digitale Zwillingstechnologie geht. Ein digitaler Zwilling bedeutet somit auch ein Neudenken, wenn es um die Infrastruktur Ihrer IT-Sicherheit geht.
Hohe Investitionen erforderlich
Ein digitaler Zwilling bringt leider auch hohe Investitionskosten mit sich, die für die Implementierung erforderlich sind. Nicht jedes Unternehmen kann sich bei knappen finanziellen Ressourcen den Return on Investment leisten.
Mit dem Niveau und der Geschwindigkeit der Innovation im Bereich des maschinellen Lernens und der Nutzung von Big Data haben diese virtuellen Modelle einen festen Platz in der modernen Technik, im ständigen Bemühen um Innovation und Leistungssteigerung. Mit den Konzepten des digitalen Zwillings wird jedes Unternehmen in der Lage sein, technologische Trends von strategischer Bedeutung aufzugreifen und zu verbessern. Sie werden in der Lage sein, teure Ausfälle bei physischen Produkten zu verhindern. Ein digitaler Zwilling wird Unternehmen langfristig die perfekte Basis für fortschrittliche analytische Überwachung und prädiktive Fähigkeiten liefern.
Digitaler Zwilling – Zusammenfassung der wesentlichen Mehrwerte
Ein digitaler Zwilling hilft Herstellern und Ingenieuren, eine enorme Leistung zu erbringen. Wir möchten die wesentlichen Vorteile nochmals für Sie zusammenfassen:
- Visualisierung von Produkten im Einsatz, durch echte Benutzer, in Echtzeit
- Aufbau eines digitalen Fadens, der unterschiedliche Systeme miteinander verbindet und die Rückverfolgbarkeit fördert
- Verfeinerung von Annahmen mit prädiktiver Analytik
- Fehlersuche in weit entfernten Anlagen
- Beherrschen der Komplexität und Verknüpfung innerhalb von System-of-Systemen
