Digitale Zwillinge aus dem Baukasten?

Virtuelle Produktentwicklung mit Hilfe digitaler Zwillinge sind der Schlüssel für die Digitalisierung der Industrie. Die Komplexität der Verfahren für mittelständische Unternehmen kann nun mithilfe bestehender Tools vereinfacht werden.

Komplexe Produkte zu entwickeln war noch nie einfach. Früher konzentrierte sich die Arbeit überwiegend auf Themen der Mechanik, heute auf viele unterschiedliche Technologien: Elektrik, Automatisierung und Software müssen integriert und Effizienz und Nachhaltigkeit berücksichtigt werden.

Eigentlich dauert so ein Entwicklungsprozess Monate. Doch kann es auch schneller gehen. Wo dies gelingt, kann nur einer die Hände im Spiel haben: der Digitale Zwilling. Als virtuelles Abbild des Produkts, der Produktionslinie oder der Performance ermöglicht er eine nahtlose Verknüpfung der einzelnen Prozessschritte. Zuverlässig gibt er Einblick in Daten, Abläufe und das Verhalten des physischen Systems zum aktuellen Zeitpunkt und kann sogar zukünftige Zustände prognostizieren. Diese Information kann dem physischen System nicht direkt entnommen werden, sondern es bedarf Modellierung, Simulation und zum Teil KI, um die Eigenschaften von Interesse zu ermitteln. Rund 85 Prozent der Unternehmen in Deutschland arbeiten an Konzepten, wie sie digitale Zwillinge einsetzen können. Aber nur 35 Prozent haben begonnen, solche Techniken auch zu implementieren.

Komplexe Systeme

Es gibt mathematische Standardverfahren, um digitale Zwillinge zu entwickeln. Allerdings sind diese oft so speziell, dass viele Ingenieure und Informatiker sie nicht einfach nutzen können – etwa unterschiedliche lineare und nichtlineare Algorithmen, um mit Funktionen die Kurven von Messdaten nachzubilden, oder Verfahren zur Modellreduktion. Noch dazu müssten die Modelle in Formate gepackt werden, die mit geeigneten Simulationsumgebungen auf der richtigen Hardware kompatibel sind.

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„Viele Firmen haben oft nicht genügend Experten für Digitale Zwillinge oder scheitern an organisatorischen Strukturen beim Erweitern oder Anpassen.“, erklärt Benjamin Lee, Simulationsexperte aus der Siemens-Forschungsabteilung Technology. „Wir wollen es unseren Kunden erleichtern, digitale Zwillinge einzusetzen und die Zeit verkürzen, die nötig ist, um diese zu entwickeln und anzupassen.“

Mit dem Digital Twin Lab hat der Technologiekonzern ein entsprechendes Dienstleistungsangebot entwickelt. Dank umfassender Technologie-Expertise können Industriekunden von Siemens während eines mehrstufigen Workshops in einer überschaubaren Zeit ihren Digitalen Zwilling entwickeln, der genau die Erfordernisse des Produkts und der Produktionsbedingungen des Unternehmens abbildet und mit vorhandenen Komponenten kompatibel ist. „Wir begleiten unsere Kunden auf dem Weg von der technologischen Herausforderung hin zu einer greifbaren und konkreten Lösung für das Unternehmen“, erläutert Veronika Liebig, die das Siemens Digital Twin Lab in München leitet.

Drei-Phasen-Verfahren

Die Workshops im Digital Twin Lab laufen in der Regel in drei Stufen ab: Zunächst wird in einer Erkundungsphase das Kundenanliegen und das Potenzial eines digitalen Zwillings für das Unternehmen identifiziert. In der anschließenden einwöchigen Intensivphase werden mit allen beteiligten Fachleuten des Unternehmens die notwendigen Weichenstellungen und Veränderungen für eine erfolgreiche Umsetzung der digitalen Lösung diskutiert und durchgespielt. In einem abschließenden Schritt wird das Lösungskonzept in Abstimmung mit dem Kunden umgesetzt. „Während des gesamten Prozesses sind wir im intensiven Austausch mit den Fachkräften des Kunden“, sagt Veronika Liebig.

Auch für die konkrete Umsetzung bietet Siemens seinen Kunden wertvolle Hilfe an: „Wir haben ein Konzept entwickelt, das wir DT Ops – Digital Twin Operations – nennen“, erläutert Benjamin Lee. DT Ops ist im Prinzip ein Digital-Twin-Baukasten. „Er umfasst Tools für die Kombination von Modellierung und Simulation digitaler Zwillinge und der dazugehörigen IT-Operationen zur Verwaltung der Lebenszyklen. Die einzelnen Bausteine sind skalierbar und wiederverwendbar, so dass wir viel schneller werden.“

In den DT-Ops-Baukasten ist die Erfahrung aus mehr als 50 Simulationsprojekten bei Siemens eingeflossen, die in den vergangenen Jahren für unterschiedliche Aufgaben entwickelt wurden.

Systeme werden smarter

„Simulation macht es möglich, dass Systeme und Produkte smarter werden – genau das erwarten ja auch die Endkunden“, erklärt Lee. „Und DT Ops macht es einfacher und schneller, Simulationen einzusetzen: Zum Beispiel bietet das System intuitive Arbeitsabläufe und Lösungen. Es komplementiert auch die aktuellen Produktentwicklungen in der Software, um entsprechende Technologien für sehr spezielle Simulationswerkzeuge nutzen zu können.“

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Mit DT Ops können die Kunden sogenannte Executable Digital Twins (xDT) erstellen. „Darunter versteht man in sich abgeschlossene, einfach anpassbare und wiederverwendbare Simulationssysteme, die ihr kompliziertes mathematisches Innenleben vor den Benutzern verbergen“, sagt Lee. Dieses System enthält nicht nur das Modell der darzustellenden Produktkomponente, sondern auch das aktuelle Prozessgeschehen. So muss sich der Kunde nur noch darum kümmern, ob sein Produkt tadellos funktioniert.

„Wenn wir unseren Kunden einen xDT liefern, dann bekommen sie ein Modell, das zu ihren Anforderungen passt plus eine fest integrierte Simulationsumgebung. Die Kunden können den xDT direkt verwenden und auch ohne mathematisches Experten-Know-how anpassen. Dafür stellen wir in DT Ops geeignete Werkzeuge zur Verfügung. Gleichzeitig bieten wir viele weitere einfache Baukastenkomponenten, wie zum Beispiel Teile, die ein kontinuierliches Update im laufenden Betrieb ermöglichen“, so Lee weiter.

Erhebliche Effizienzsteigerung

„Mit unserer Unterstützung können Unternehmen die Effizienz ihrer Wertschöpfungskette im Engineering signifikant steigern“, erläutert Christoph Heinrich, Gruppenleiter bei Siemens Technology und verantwortlich für Simulation & Digitaler Zwilling. Dieser Effizienzgewinn ist nicht nur wichtig wegen der ständig steigenden Technologie- und Produktkomplexität, Unternehmen können ihre Produkte dadurch auch erheblich schneller auf den Markt bringen.

„Darüber hinaus können neue Geschäftsmodelle im Betrieb und Service von Produkten erschlossen werden. Außerdem verbessern wir die Lebenszyklen von Maschinen und Produkten, und tragen somit zu einem nachhaltigen Wirtschaften bei. Mit dem digitalen Abbild der Maschine können wir spezifische Anforderungen schon sehr früh mit dem Kunden abstimmen“, so Heinrich weiter.

Die Digitalisierung von Arbeitsabläufen, Anlagen und Produkten lohnt sich auch für mittelständische Betriebe. Wo diese heute wegen begrenzter personeller Ressourcen oft noch zurückhaltend agieren, ermöglicht der im Digital Twin Lab entwickelte passgenaue Digitale Zwilling den Einstieg.

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