Was ist ein Digital Twin (digitaler Zwilling)?
Ein digitaler Zwilling ist ein dynamisches, virtuelles Abbild eines physischen Objekts, Systems oder Prozesses. Dieses digitale Modell wird kontinuierlich mit Echtzeitdaten seines physischen Pendants aktualisiert. So ermöglicht es Simulationen, Überwachung und Analysen, um die Leistung zu optimieren und potenzielle Probleme frühzeitig zu erkennen.
Ursprünglich von der NASA ↗ in den 1960er-Jahren entwickelt, um Raumschiff-Simulationen zu verbessern, hat sich das Konzept des digitalen Zwillings stetig weiterentwickelt. Heute findet es branchenübergreifend Anwendung – von der Fertigung bis hin zur Stadtplanung.
Die Rolle des Digital Twins (digitalen Zwillings)
Digitale Zwillinge bieten eine umfassende Echtzeitansicht physischer Produkte und Systeme. Sie ermöglichen es Herstellern, unterschiedliche Szenarien zu simulieren und zu testen, ohne den laufenden Betrieb zu stören. Das führt zu verbessertem Design, höherer Effizienz und optimierter Wartung.
In der Automobilindustrie lassen sich mit digitalen Zwillingen beispielsweise die Leistungsfähigkeit neuer Fahrzeugmodelle unter unterschiedlichen Bedingungen vorhersagen – wodurch der Bedarf an realen Prototypen sinkt und die Markteinführung deutlich beschleunigt wird.
In der Fertigung helfen digitale Zwillinge bei der Optimierung von Produktionslinien, indem sie Engpässe und Ineffizienzen identifizieren. Sie können die Auswirkungen von Änderungen im Produktionsprozess simulieren, wie die Einführung neuer Maschinen oder Modifikationen im Arbeitsablauf, und stellen sicher, dass diese Änderungen zu den gewünschten Ergebnissen führen.
Darüber hinaus ermöglichen digitale Zwillinge eine prädiktive Wartung, indem sie Daten von in Maschinen integrierten Sensoren analysieren, um potenzielle Ausfälle frühzeitig zu erkennen und rechtzeitig Wartungsmaßnahmen einzuplanen. Dadurch lassen sich ungeplante Stillstände minimieren und die Lebensdauer der Anlagen deutlich verlängern.
Was sind die Vorteile einer Digital-Twin-Strategie?
Verbesserung der Produktqualität
Bevor Sie in Prototypenentwicklung oder physische Entwicklung investieren, testen und validieren Sie Ihr Design und Ihre Produktionsprozesse. Diese neue Funktion beschleunigt die Entwicklung besserer, nachhaltigerer Produkte, indem sie die Risikobewertung erheblich verbessert und die Produktionssicherheit gewährleistet.
Schnellere Markteinführung
Durch die virtuelle Simulation und das Testen von Produkten kann der Aufwand für physische Prototypen und Validierungen deutlich reduziert werden – und damit der Entwicklungsprozess erheblich beschleunigt werden.
Verbesserung der Risikobewertung
Mithilfe digitaler Zwillinge lassen sich unerwartete Szenarien oder Störungen in Produktionsprozessen simulieren, um die Reaktion des Systems zu analysieren und geeignete Gegenmaßnahmen zu entwickeln. Dieser proaktive Ansatz senkt das Risiko kostspieliger Produktionsverzögerungen oder Ausfälle und erhöht gleichzeitig die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems.
Echtzeitüberwachung
IoT-verbundene Sensoren liefern kontinuierliche Datenströme, die es Unternehmen ermöglichen, die Leistung aus der Ferne zu analysieren und zeitnahe Interventionen zur Verhinderung von Ausfällen durchzuführen. Prädiktive Analysen helfen, Wartungen genauer zu planen, wodurch Ausfallzeiten reduziert und die Gesamtanlageneffektivität (OEE) verbessert werden.
Kosten reduzieren
Weniger physische Prototypen führen zu geringerer Materialverschwendung, niedrigeren Wartungs- und Servicekosten sowie reduzierten F&E-Ausgaben. Funktionen zur vorausschauenden Wartung – unterstützt durch Machine Learning und Künstliche Intelligenz – helfen, ungeplante Ausfallzeiten zu vermeiden und die Lebensdauer von Anlagen zu verlängern. Das senkt nicht nur Wartungskosten, sondern steigert auch die Produktivität.
Wie lässt sich Digital Twin in Ihrem Unternehmen am besten einführen?
Die Implementierung einer Digital-Twin-Strategie erfordert einen strukturierten Ansatz, der Technologie, Prozesse und unternehmensweite Ziele aufeinander abstimmt, um das volle Potenzial auszuschöpfen.
Sammeln Sie Daten von physischen Ressourcen mithilfe von Sensoren (Scanner), IoT-Geräten und anderen Datenquellen. Dazu gehören Parameter wie Temperatur, Druck und Betriebszustand.
Erstellen Sie ein virtuelles Modell der physischen Ressource mithilfe einer Digital-Twin-Software, das das reale Pendant präzise abbildet.
Verbinden Sie den digitalen Zwilling mit Echtzeit-Datenquellen und validieren Sie seine Genauigkeit, indem Sie Simulationsergebnisse mit tatsächlichen Leistungsdaten vergleichen.
Nutzen Sie den digitalen Zwilling, um Daten zu analysieren, Simulationen durchzuführen und Strategien zur Optimierung von Leistung und Wartung zu entwickeln.
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Digitaler Zwilling FAQs
Obwohl „Digital Twin“ und „Virtual Twin“ ähnliche Konzepte darstellen, gibt es Unterschiede in ihrer Anwendung und ihrem Funktionsumfang.
Ein Digital Twin ist eine digitale Repräsentation eines physischen Objekts, Systems oder Prozesses. Es handelt sich um eine virtuelle Darstellung, die alle relevanten Informationen über das reale Objekt enthält. Ein Digital Twin wird erstellt, indem Daten aus Sensoren, IoT-Geräten oder anderen Quellen erfasst werden, um den aktuellen Zustand, das Verhalten und die Leistung des realen Gegenstands in Echtzeit abzubilden. Dadurch können Nutzer den Zustand überwachen, Leistungsanalysen durchführen, Vorhersagen treffen und Simulationen durchführen, um mögliche Szenarien zu testen. Der Fokus liegt auf der Überwachung und Analyse des realen Objekts.
Ein Virtual Twin hingegen bezieht sich auf eine vollständig virtuelle, computerbasierte Repräsentation eines Objekts, Systems oder Prozesses. Es ist eine komplett digitale Nachbildung, die möglicherweise nicht auf einem physischen Gegenstück basiert. Virtual Twins werden oft in der virtuellen Realität (VR) oder Augmented Reality (AR) erstellt und dienen verschiedenen Zwecken wie Simulationen, Schulungen, virtuellen Tests oder virtuellen Prototypen. Virtual Twins können beispielsweise verwendet werden, um das Design eines Produkts zu optimieren, bevor es physisch hergestellt wird, oder um komplexe Systeme in einer virtuellen Umgebung zu testen.
Die Grundlage eines Virtuellen Zwillings besteht aus einer durchaus komplexen IT-Struktur. Daher starten viele Unternehmen zunächst mit einem einzelnen Produkt und sammeln dabei Erfahrungen. Wichtig ist sowohl eine umfangreiche Datenbasis (von der Entwicklung bis zum Produkteinsatz) von z.B. einer Maschine, einer Anlage, einem Produkt als auch eine vorhandene Sensorik zur laufenden Erfassung weiterer Daten. Um die erfassten Daten zu übertragen, wird eine zuverlässige Konnektivität benötigt, um eine Verbindung zwischen dem physischen Objekt und der digitalen Umgebung herzustellen.
Die erfassten Daten müssen verarbeitet, analysiert und gespeichert werden.
Weiterhin braucht man Modellierungswerkzeugen und Simulationstechniken, um die Verhaltensweisen und Eigenschaften des physischen Objekts virtuell nachzubilden. All die generierten Daten aus dem physischen Objekt müssen mit anderen relevanten Informationen – aus anderen Systemen, externen Quellen oder historischen Daten – integriert werden.
Je nach Anwendungsfall von Digital Twin und Industrie können die Anforderungen und Werkzeuge variieren.
Systeme wie PLM, CAD etc. müssen vorhanden sein. Auf einer (cloudbasierten) Plattform werden sämtliche Daten gesammelt und mittels einer speziellen Software analysiert und interpretiert.
Bei einem Digitalen Zwilling als auch bei einer Simulation werden digitale Modelle genutzt, um spezifische Prozesse nachzustellen. Der Unterschied zwischen beiden besteht jedoch in dem Leistungsumfang: eine Simulation stellte einen bestimmten Prozess dar, ein Digitaler Twin hingegen kann unendliche Prozesse darstellen und Prozesse aus mehreren Blickwinkeln analysieren. Zudem werden die Informationen und Ergebnisse zurück an das ursprüngliche Objekt in der realen Welt geliefert.
Je nach Anwendungsbereich unterscheidet zwischen diesen vier verschiedenen Digital Twins:
- den Component Twins: diese stellen eine einzelne Komponente eines Produktes dar, wie etwa ein Rotorblatt.
- Asset Twins: darunter versteht man die Zusammenarbeit verschiedener Komponenten, wie zum Beispiel der Motor einer Windanlage.
- System/Unit Twins: diese digitalen Twins umfassen alle Komponenten, die einen bestimmten Prozess möglich machen, wie etwa den Antrieb einer Windturbine.
- Process Twins: die höchste Stufe eines Digital Twins befasst sich mit Zusammenarbeit aller Einheiten einer Anlage sowie die Berücksichtigung des richtigen Timings.
Es ist möglich verschiedene Digitale Zwillinge innerhalb eines Prozesses oder ganzer Systeme einzusetzen.
Ein digitaler Schatten kann als Vorstufe eines Digitalen Zwillings bezeichnet werden. Unter einem digitalen Schatten versteht man eine digitale Abbildung von einer Anlage oder einer Maschine, die historische Produktionsdaten speichert, Vorgänge simuliert und Prognosen erstellt, und sich anpasst, wenn sich das reale Objekt verändert. Der Digitale Twin geht hier einen Schritt weiter: er reagiert auf Änderungen und kommuniziert die Ergebnisse von der virtuellen Welt zurück in die reale Welt – und passt damit beispielsweise Temperaturen oder Anstellwinkel des verknüpften Objektes in der realen Welt an.
Digital Twins kann man entweder durch das Scannen physischer Gegenstände in der realen Welt erstellen oder alternativ, anhand von importierten BIM-, GIS- oder CAD-Modellen. Um einen digital Twin zu erstellen, muss dieser nach dem Scannen mit Unternehmensdaten oder auch IoT-Daten verbunden werden, um die Analysen durchführen zu können. Bei einem digitalen Zwilling kann sich um ein Produkt, ganzes simuliertes Netzwerk oder System handeln.