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Siemens Digital Twin | Entdecken Sie alle Lösungen | Cadlog

Komplexitätsmanagement jenseits der Simulation

Was bedeutet Digital Twin?

Das Konzept von Digital Twin zu verstehen ist einfach. Eine Möglichkeit, die Herausforderungen der Entwicklung komplexer Systeme zu bewältigen, ist der Aufbau einer Reihe hochpräziser Modelle, die helfen, das Produktverhalten während aller Lebenszyklusphasen vorherzusagen. Diese Modelle, die als "Digitale Zwillinge" bezeichnet werden, gibt es in mehreren Maßstäben und Instanzen für verschiedene Anwendungen. Sie integrieren mehrere physikalische Aspekte, enthalten die besten verfügbaren physikalischen Beschreibungen und spiegeln das Leben des realen Produkts und seines Produktionsprozesses wider.

Das Konzept ist über verschiedene Lebenszyklusphasen eines Produkts oder Systems anwendbar.

  • Von der Ideationsphase, mit einem Digitalen Zwilling des Produkts, der bei der Definition/Verbesserung von Designs und der Analyse der Leistung hilft.
  • Bis zur Realisierungsphase, mit einem Digitalen Zwilling des Fertigungsprozesses.
  • Bis hin zur Nutzungsphase mit einem Digitalen Zwilling des Produkts im Betrieb und bei der Ausmusterung.

Wenn Unternehmen all diese Digitalen Zwillinge zusammen integrieren, haben sie Zugang zu einem ganzheitlichen Digital Twin, der zum Rückgrat ihrer Produktentwicklung wird - und der in der Lage ist, mehr Einblicke zu liefern, die Entwicklungszykluszeit zu verkürzen, die Effizienz zu verbessern und die Marktagilität zu erhöhen.

Gemelo digital de Siemens
Der Digital Twin kann als eine virtuelle Darstellung definiert werden, die als digitales Echtzeit-Äquivalent eines physischen Objekts oder Prozesses fungiert.

DAS KONZEPT

Apollo 13: Der erste Digital Twin

Das Konzept der Verwendung von physikalischen Modellen, die das Verhalten von tatsächlichen Produkten nachahmen, ist nicht neu. So wurden beispielsweise im Apollo-Programm der NASA identische Raumfahrzeuge verwendet, damit eines der Fahrzeuge zum Testen von Verfahren auf der Erde eingesetzt werden konnte, während das andere im Weltraum war.
Die erste Verwendung des Begriffs "digitaler Zwilling" erschien in einem NASA-Bericht im Jahr 2010 und wurde wie folgt definiert:

Ein Digital Twin ist eine integrierte Multiphysik- und Multiskalensimulation eines Fahrzeugs oder Systems, die die besten verfügbaren physikalischen Modelle, Sensor-Updates, Flottenhistorie usw. verwendet, um das Leben des entsprechenden fliegenden Zwillings widerzuspiegeln.

Was ist die Digital Twin-Technologie?

Es gibt drei Arten von Digitalen Zwillingen, von denen jeder auf den anderen Versionen von sich selbst aufbaut und Daten an diese zurückgibt:

Digital Twin des Produkts

Digital Twin der Produktion

Digital Twin der Leistung

Der Digital Twin des Produkts wird bereits in der Definitions- und Konstruktionsphase eines Produkts erstellt. Damit können die Ingenieure die Produkteigenschaften den jeweiligen Anforderungen entsprechend simulieren und validieren: Ist das Produkt beispielsweise stabil und intuitiv zu bedienen? Funktioniert die Elektronik zuverlässig? Egal, ob es sich um Mechanik, Elektronik, Software oder Systemleistung handelt, mit dem digitalen Zwilling lassen sich all diese Elemente vorab testen und optimieren.

Der Digital Twin der Produktion umfasst alle Aspekte, von den Maschinen und Anlagensteuerungen bis hin zu ganzen Produktionslinien in der virtuellen Umgebung. So können Fehlerquellen oder Ausfälle bereits vor dem eigentlichen Betrieb erkannt und vermieden werden. Das spart Zeit und schafft die Voraussetzung für eine kundenindividuelle Massenproduktion, denn selbst hochkomplexe Produktionswege können mit minimalem Aufwand in kürzester Zeit berechnet, getestet und programmiert werden.

Der Digital Twin der Leistung ist anders. Während viele Hersteller bereits die Digitalen Zwillinge des Produkts und der Produktion nutzen, fehlt ihnen die Fähigkeit, den Digitalen Zwilling der Leistung vollständig zu aktivieren und die für einen geschlossenen Digitalen Zwilling notwendige Feedbackschleife zu schaffen. Man benötigt eine Cloud-basierte IoT-Lösung, die nicht nur Anlagen aus der Ferne überwachen kann, sondern sich auch nahtlos in die anderen Technologien integriert, die in den Produkt- und Produktionsmodellen verwendet werden.

Siemens ist führend in der Innovation auf diesem Gebiet. Es ist das einzige Unternehmen, das in der Lage ist, den geschlossenen Digital Twin vollständig bereitzustellen (Abbildung unten). Seine industrielle IoT-as-a-Service-Lösung fügt den Digital Twin der Leistung zu einem bereits robusten Digital Twin des Produkts und Digital Twin der Produktion hinzu. Der komplette Digital Twin wird mit integrierter CAD-, CAM-, CAE-, PDM- und IoT-Software verwaltet, wodurch Sie operative Transparenz und einen geschlossenen Digitalen Zwilling erhalten, der sich über das gesamte Unternehmen und den gesamten Produktlebenszyklus erstreckt. Da alle Prozesse miteinander verbunden sind und in Echtzeit aktualisiert werden, können Sie den geschlossenen digitalen Zwilling für eine intelligentere Wartung von Produkten, Anlagen, Systemen und Maschinen nutzen.

Der Digital Thread

Das Konzept des Digitalen Leitfadens (Digital Thread) ist mit dem Konzept des Digitalen Zwillings (Digital Twin) verwandt. Der Digital Thread erfasst Informationen über alle Daten, Modelle, Prozesse und Ressourcen von den Anforderungen über das Design und Engineering bis hin zur Nutzung für den Digital Twin. Und das über alle Funktionsbereiche und für alle Stakeholder. Wo also der Digital Twin als die virtuelle Einheit betrachtet werden kann, die die Leistung vorhersagen kann, verfolgt der Digital Thread die Entwicklung des Digital Twins und hilft dabei, ihn aktuell und auf dem neuesten Stand zu halten.

digital-thread

Warum Digital Twins in Zukunft das Rückgrat der Industrie sein werden

Digital Twins werden mit ihrer Fähigkeit, virtuelle Repräsentationen von realen Produkten, Systemen und Städten zu liefern, das Innovations-Rückgrat der Zukunft sein. Hier ist der Grund dafür.

Der Digitale Zwilling eines Elektromotors zeigt beispielsweise nicht nur die Form, sondern analysiert auch die Funktionen - von der Rotation der Welle über die Wärmeleitfähigkeit bis hin zu den Daten von Sensoren und mehr. Darüber hinaus entwickelt sich der Digitale Zwilling dank des Datenflusses, des Feedbacks der Benutzer und neuer Anregungen ständig weiter. Und das hat einen großen Einfluss auf Entwicklung, Produktion und Betrieb.

In der Entwicklungsphase kann das Verhalten eines Produkts lange bevor ein physischer Prototyp gebaut wird simuliert und getestet werden. Siemens nutzte den Digital Twin, um einen elektrischen Flugzeugmotor zu entwickeln, der nicht nur 50 Kilogramm wiegt, sondern auch fünfmal leistungsfähiger ist als vergleichbare Elektromotoren. Ein Weltrekord.

Aber das ist noch nicht alles. Digital Twins entfesseln auch die Kraft des 3D-Drucks. In einer aktuellen Studie für Gasmischsysteme wurden Erkenntnisse aus der Simulation von Form und Strömungsverhalten mit generativen Algorithmen kombiniert. Das Ergebnis? Eine wirklich einzigartige Kanalform und -konfiguration - die deutlich effizienter ist als alles, was bisher entwickelt wurde.

In der Produktion können sogar ganze Fertigungen bis hin zu einzelnen Maschinen simuliert und getestet werden. Zum Beispiel: Roboter. Für sie ist es schwierig, Fräsaufgaben zu erledigen, weil große Kräfte im Fertigungsprozess zu ungenauen Bewegungen führen. Aber mit dem Digitalen Zwilling können die Kräfte, die den Roboter von der Fräsbahn wegdrücken, in Echtzeit berechnet und kompensiert werden, sodass der Roboter auf seiner Bahn bleibt.

Während der operativen Phase kann man mit Hilfe eines Digital Twins die Sensordaten eines realen Punktes in Echtzeit mit der Simulation seines Punktes vergleichen. Die Verfügbarkeit des Punktes parallel zum Betrieb kann zuverlässig vorhergesagt werden und plötzliche Störungen gehören der Vergangenheit an.

Doch das ist erst der Anfang. Die Kombination von Digitalen Zwillingen mit Künstlicher Intelligenz ermöglicht es Computern, eigenständig fortschrittliche Produkte zu entwerfen.

Für Entwicklung, Produktion und Betrieb bricht der Digitale Zwilling mit traditionellen Paradigmen und eröffnet außergewöhnliche Möglichkeiten. Deshalb sind Digital Twins das Innovationsrückgrat der Zukunft.

Vorteile eines Digital Twin-Ansatzes

Risiko reduzieren und Leistung verbessern

Digital Twin

Der Digitale Zwilling enthält alle erforderlichen Informationen, um die Leistung und den Zustand des Produkts, die verbleibende Nutzungsdauer oder bei einigen Anwendungen sogar die Wahrscheinlichkeit des Missionserfolgs kontinuierlich vorherzusagen. Er kann auch die Systemreaktion auf sicherheitskritische Ereignisse vorhersagen und bisher unbekannte Probleme aufdecken, bevor sie kritisch werden, indem er vorhergesagte und tatsächliche Reaktionen vergleicht.

Letztendlich könnten die Systeme an Bord des Digitalen Zwillings, wenn sie auf dem Höhepunkt ihrer Fähigkeiten verfügbar sind, in der Lage sein, Schäden oder Beeinträchtigungen zu mindern. Sie könnten Selbstheilmechanismen aktivieren oder Änderungen im Missionsprofil empfehlen, um die Belastungen zu verringern und damit sowohl die Lebensdauer als auch die Wahrscheinlichkeit des Missionserfolgs zu erhöhen. Oder sie könnten Updates von intelligenten Systemen vorschlagen, um die Produktleistung zu verbessern und den Treibstoffverbrauch zu senken.

Senkung der Produkt- und Betriebskosten

digital twin of a tractor

Traditionell wurde bei der Entwicklung und der anschließenden Nachverfolgung der Nutzung von entsprechend schweren Bedingungen ausgegangen, sowie von ziemlich großen Sicherheitsfaktoren, um den Herstellungsprozess zu berücksichtigen. Ein solcher Ansatz ist sehr konservativ und führt zu Produkten, die möglicherweise schwerer sind als sie sein sollten und häufigere Inspektionen als nötig erfordern.

Dank der Präzision seiner Modelle kann der Einsatz eines Digitalen Zwillings die Konstruktionstoleranzen reduzieren und gleichzeitig die Unsicherheiten in der Fertigung und die stochastische Variabilität der Materialeigenschaften und der Produktnutzung berücksichtigen. Dies führt zu einer enormen Kostenreduzierung in jeder Hinsicht, einschließlich des Materialverbrauchs während der Produktion, des Kraftstoffverbrauchs sowie einer besseren Planung von Inspektion und Wartung.

Reduzierung von Entwicklungszeit und Produktionskosten

Digital Twin of a car

Durch die integrierte Betrachtung der verschiedenen physikalischen und verhaltensbezogenen Aspekte des Produkts ermöglicht der Digitale Zwilling die gleichzeitige Abgleichung aller funktionalen Leistungsanforderungen während des gesamten Entwicklungszyklus, vom frühen Konzept über die Detailkonstruktion bis hin zur endgültigen Validierung. Digitale Zwillinge können auch frühere und umfassendere Einblicke in das Zusammenspiel der Systeme und ihre potenziellen Fehlermöglichkeiten liefern. Dadurch werden mehrere Test- und Reparaturschleifen vermieden und die Zeit, die bis zur Produktionsreife eines Produkts benötigt wird, erheblich verkürzt.

Zunehmende Innovation

Der systematische Einsatz von Digitalen Zwillingen zur vollständigen Erkundung des Designraums, zur Integration von IoT-Daten und zum besseren Verständnis der Interaktionen verschiedener Systeme wird für Produktentwicklungsteams viele neue Erkenntnisse generieren. Diese Erkenntnisse werden wiederum zu einer schnelleren Innovation führen, da neue Ideen auftauchen, die zuvor nie in Betracht gezogen wurden.

White Paper

Maturing simulation and test capabilities for the Digital Twin

Dieses Whitepaper von Siemens erklärt, was ein Digitaler Zwilling ist, welchen Wert er hat und wie Unternehmen ihre Kompetenzen im Bereich Simulation und Test ausbauen sollten, um eine Zukunft mit digitalen Zwillingen zu nutzen. Das Simcenter-Portfolio wird als Abschluss des Papiers vorgestellt.

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