Die Technologien rund um digitale Zwillinge sind heute in aller Munde – bisweilen werden sie neben künstlicher Intelligenz wahrscheinlich als die wesentliche Errungenschaft im digitalen Zeitalter angesehen. Doch wie funktionieren digitale Zwillinge, welchen Nutzen können sie meinem Unternehmen stiften und was sind Anwendungsfelder beispielsweise in der Produktion? Und vor allem: Sind digitale Zwillinge das, was ich für die Optimierung meiner Produktion benötige? Wenn Sie diese Fragen beschäftigen, können wir Ihnen einige Antworten liefern; andere, bieten wir Ihnen an, gemeinsam zu eruieren.

Wie funktionieren digitale Zwillinge?

Basis für digitale Zwillinge sind die heute bereits vielfach etablierten cyberphysischen Systeme und Produkte. Darunter versteht man über das Internet verbundene und miteinander kommunizierende Systeme und Produkte, die mittels Sensoren Daten aus dem Umfeld erheben, diese an eine Software weiterleiten und nach der Verarbeitung an Aktoren zur Ausführung von Aktionen weitergeben.

Solche mit einer Vielzahl an Sensoren ausgestattete Objekte können nun mit einem digitalen Abbild, dem Zwilling, verbunden werden, sodass eine gegenseitige Austauschbeziehung von Informationen entsteht: Das physische Objekt sammelt mittels exakt in diesem Objekt lokalisierbarer Sensoren beispielsweise Temperatur- oder Druck-, Material-, Verhaltens- und Betriebsdaten. Diese Daten werden mittels digitalen Modells dem digitalen Gegenstück positionsgetreu zugeordnet werden, um dort durch Softwareunterstützung die Daten analysieren und Simulationen am digitalen Zwilling selbst durchführen zu können. Dabei hat jedes physische Objekt immer genau ein digitales Abbild. Die physischen Produkte können dabei unterschiedlich groß sein und von einzelnen Komponenten über vollständige Produkte bis hin zu ganzen Prozessen reichen.

Welchen Nutzen stiften digitale Zwillinge?

Digital Twins bieten dadurch einen großen Nutzen, dass sie den gesamten Produktlebenszyklus unterstützen – angefangen vom Stadium der Forschung und Entwicklung bis hin zur Phase der Maintenance und inkrementeller Verbesserungen. Der digitale Zwilling begleitet das Produkt wie ein virtueller Schatten über dessen gesamte Lebensdauer hinweg und erhält zu jedem Zeitpunkt aktuelle Daten und Informationen von diesem. Mithilfe dieser Daten lässt sich das Produktverhalten in Echtzeit analysieren.

Insbesondere bei komplexen und teuren Produkten ist der Einsatz digitaler Zwillinge von Beginn an nützlich. So können bereits erste Prototypen eines Produkts mit einem digitalen Zwilling gekoppelt werden, der das Verhalten des physischen Objekts unter unterschiedlichen Umweltbedingungen monitort und auswertet. Entsprechend können mithilfe des digital Twins notwendige Anpassungen am Prototypen zunächst ausprobiert und später wirklich vorgenommen werden: sei es der Einsatz von Materialien zur Produktion des Objekts, die Korrektur gewisser Eigenschaften oder gar das Verhalten des Objekts in bestimmten Situationen.

Ab der seriellen Fertigung kann mithilfe digitaler Zwillinge jeder einzelnen Produktinstanz die Produktion überwacht werden. Darüber hinaus ist es problemlos möglich, in eine objektindividuelle, konfigurationsspezifische Produktion zu gehen.

Ab der Übergabe des physischen Produkts an den Endkunden kann mithilfe des digitalen Zwillings viel über den Einsatz des realen Objekts im jeweiligen Anwendungskontext gelernt werden. Je nachdem für welche Aufgaben ein Kunde ein Objekt benutzt, unter welchen Bedingungen (z.B. Witterung, Temperatur, Erschütterungen, Dunkelheit usw.) er es verwendet oder welchen Beanspruchungen das Objekt ausgesetzt wird – mithilfe der übermittelten Sensordaten ist es stets möglich, Nutzungsbedingungen und Nutzungsverhalten zu analysieren.

Aus den Nutzungsbedingungen und -daten lassen sich mithilfe des digitalen Zwillings letztendlich Schlüsse für den weiteren Lebensweg des Objekts ziehen. Eine Belastungsanalyse kann beispielsweise Aufschluss darüber geben, wann bestimmte Komponenten ersetzt werden sollten, bevor sie kaputt gehen (sog. Predictive Maintenance). Auch können dem Nutzer Tipps gegeben werden, wie er sein Produkt effizienter oder unter geringerer Beanspruchung verwenden kann. Zuletzt lassen sich über bestimmte Nutzungsmuster sowohl Ideen für gänzlich neue Produkte entwickeln oder aber Adaptionen und situations- sowie nutzungsabhängige Anpassungen bestimmter Komponenten (egal ob als Ersatzteil für bestehende oder als Komponenten für zukünftig zu produzierende Objekte) vornehmen.

Was sind Anwendungsfelder für digitale Zwillinge:

Die Anwendungsfelder für digitale Zwillinge sind vor allem komplexe und teure Produkte. Ein Produkt muss dabei nicht zwangsläufig für einen Endkonsumenten bestimmt sein; vielmehr zählen auch (halb-)öffentliche Güter und Infrastrukturen dazu. Im weiteren Kontext der Produktion können folgende Anwendungsfelder identifiziert werden:

• digitale Zwillinge eignen sich dafür, nicht nur klassische Konsumprodukte zu planen, sondern auch Werke, Produktionsanlagen und die im Werk befindlichen Logistikkomponenten. Auf diese Weise lassen sich mitunter teure Planungsfehler oder Ineffizienzen in Bezug auf Lagerkapazitäten und Logistikwege von vornherein vermeiden. Vorteil: Geldeinsparungen
• Instandhaltung und Predictive Maintenance: Wenn eine Produktionsanlage mit einem digitalen Zwilling ausgestattet wird, ist es möglich die Instandhaltung zu optimieren und vorausschauend Teile zu ersetzen. Vorteil: Ausfallzeiten minimieren.
• Workflowoptimierung: Auch lassen sich hintereinandergeschaltete Anlagen, Produktionsmaschinen und Roboter als Gesamtheit betrachten. Auf dieser Basis können Betriebsabläufe optimiert und Durchlaufzeiten beschleunigt werden. Vorteil: Zeiteinsparungen
• Sicherheitsprüfung und -ausbildung: An digitalen Zwillingen lassen sich Sicherheitsüberprüfungen durchführen, ggf. Anpassungen vornehmen, bevor ein Produkt eingeführt und in Betrieb genommen wird. Auch lassen sich mithilfe des virtuellen Modells Sicherheitsausbildungen durchführen, wenn beispielsweise eine Zerlegung des Produkts oder ein Zugang zu diesem unmöglich ist. Vorteil: Sicherheit steigern
• Analyse von Nutzungsmuster: Durch die Analyse des Umgangs mit einem Produkt lassen sich wertvolle Schlüsse über dessen tatsächliche Verwendung ziehen. Diese können dazu genutzt werden, um entweder die Produktspezifika dahingehend zu optimieren, dass das Produkt unter den tatsächlichen Nutzungsbedingungen noch besser funktioniert. Oder es können neue Produkte entwickelt werden, die auf den tatsächlichen Anwendungskontext abgestimmt sind. Vorteil: Steigerung der Kundenzufriedenheit und Erschließung neuer Kundengruppen
• Virtuelle Vorführungen und Customizing: Zudem können mithilfe digitaler Zwillinge virtuelle Produktvorführungen angeboten werden, um (potentiellen) Kunden einen authentischen und quasi-realen Eindruck von einem Produkt zu vermitteln. Zudem können Produkte durch an digitalen Zwillingen visualisierten und getesteten Kundenwünsche individuell angepasst werden. Vorteil: Kommunikationselement zur Kundengewinnung

Trotz der aufgezeigten Vorteile geht der Einsatz digitaler Zwillinge immer auch mit sehr hohen Investitionen einher. Aus diesem Grund muss der Kosten-Nutzen-Aspekt immer beachtet werden – und ggf. nach weniger kostenintensiven, aber funktional vergleichbaren Alternativen gesucht werden.

Sie finden digitale Zwillinge für Ihre Produktion interessant, wissen aber nicht, ob sie in Ihrem Anwendungskontext die richtige Lösung sind? Wir beraten Sie als kompetenter Ansprechpartner selbstverständlich ergebnisoffen und analysieren mit Ihnen gemeinsam potentielle Einsatzfelder und den daraus erwarteten Nutzen – verschweigen aber auch nicht die damit einhergehenden Kosten. Außerdem schlagen wir Ihnen Alternativen vor, mit deren Hilfe Sie Ihre Ziele und Vorhaben bestmöglich umsetzen können.