^Ill

^{Illustration: Industrie 2025}

Von Roland Eschmann

^{Quelle: Manuel Fischer B.Sc., Prof, Markus C. Krack | Fachhochschule Nordwestschweiz, Mitglied der Arbeitsgruppe «Digitaler Zwilling» von Industrie 2025}

Mit der rasanten Entwicklung neuer Technologien wie Cloud Computing, Internet of Things, Big-Data-Analytik und künstliche Intelligenz ist das Zeitalter der intelligenten Fertigung angebrochen. Eine wichtige Rolle spielt dabei der «Digitale Zwilling» auf. Mit den neuen Technologien kombiniert ermöglicht er es,  komplexe Aufgaben besser zu bewältigen.

Industrie 2025, die nationale Initiative zur Förderung der Digitalisierung auf dem Werkplatz Schweiz, betreibt eine Arbeitsgruppe zum «Digitalen Zwilling». Diese bietet produzierenden Unternehmen Workshops an, in denen die Umsetzung eines Anwendungsfalles mit einem Digitalen Zwilling geprüft wird. Ziel der Arbeitsgruppe ist es, zukunftsfähige Konzepte und Use Cases auszuarbeiten, die aufzeigen, wie die horizontale und vertikale Vernetzung erfolgreich umgesetzt werden kann.

Was ist ein Digitaler Zwilling?

Ein Digitaler Zwilling (engl. «digital twin»), ist ein digitales oder virtuelles Abbild von Anlagen, Prozessen, Produkten oder Dienstleistungen unserer physischen Welt und verwendet reale Daten. Physischer Gegenstand und virtuelle Repräsentanz sind miteinander verbunden und synchronisiert und können sich gegenseitig in Echtzeit beeinflussen.

Was ist kein Digitaler Zwilling?

Oftmals werden digitale «Mock-Ups» fälschlicherweise als Digitale Zwilling bezeichnet. Ein Digital Mock-Up ist jedoch nur eine rechnergestützte Methode, bei der ein digitales Modell des realen Produkts oder Gegenstands wiedergegeben wird und gewisse Eigenschaften simuliert werden. Das Kriterium der Kopplung des realen und digitalen Gegenstands ist aber nicht gegeben; es stellt ein Muss-Kriterium für den Digitalen Zwilling dar.

Ein 3D-CAD Modell als Digitalen Zwilling zu bezeichnen ist nicht korrekt.

Auch die Behauptung, dass der Digitale Zwilling längst Stand der Technik sei und in den meisten Unternehmen bereits eingesetzt werde, ist verwegen.

Arten des Digitalen Zwillings

Momentan werden drei (plus eine übergeordnete) Arten von Digitalen Zwillingen unterschieden:

• Digitaler Zwilling in der Entwicklung (Produktzwilling)
• Digitaler Zwilling in der Produktion (Produktionszwilling)
• Digitaler Zwilling in der Dienstleistung (Servicezwilling)

Übergeordnet über alle drei Zwillingsarten ist der:

• Digitale Zwilling über mehrere Phasen

Geschichte des Digitalen Zwillings

Das Konzept des Digitalen Zwillings ist erstmals 2010 in einer Technologie-Roadmap der NASA erwähnt worden. Es geht zurück auf das Apollo-Programm, bei dem mindestens zwei identische Raumfahrzeuge gebaut wurden, um die Bedingungen des Raumfahrzeugs während der Mission spiegeln zu können.

Aufbau eines Digitalen Zwillings

Traditionell wird der Digitale Zwilling in drei Dimensionen beschrieben. Vorgestellt wurde er erstmals von Grieves im Rahmen einer Vorlesung zum Thema Product Lifecycle Management. Der dreidimensionale Digitale Zwilling besteht aus dem physischen Gegenstand (physical entity), dessen virtueller Repräsentanz (physical space) und der Verbindung der beiden mittels Daten und Informationen.

Mit dem fünfdimensionalen Zwilling wurde das klassische Modell des 3-D Zwillings von Grieves um die Dimensionen Daten und Services erweitert. Ein Digitaler Zwilling besteht somit gemäss einer Publikation von Tao aus:

•  Physischer Gegenstand (PE)
•  Virtueller Raum (VE)
•  Service- und Berechnungsraum (Ss)
•  Digitaler Zwillings-Datenraum (DD)
•  Verbindung oder Kommunikation (CN)

^{Fünfdimensionaler Digitale Zwilling (in Anlehnung an Tao, Zhang, et al., 2018)}

Formalisierter Aufbau eines Digitalen Zwillings

Der Digitale Zwilling besteht aus vier Einheiten. In der ersten Einheit «Data Collection and Device Control» werden Daten gesammelt und aufbereitet. Über diese Einheit werden auch die physischen Objekte mit dem Zwilling gekoppelt und synchronisiert. In der «Core Entity» werden die verschiedenen Prozesse zur Datenverarbeitung (Simulation) bereitgestellt. Die «User Entity» stellt die Verbindung zu anderen Systemen und anderen Zwillingen dar. Die vierte Einheit mit der Bezeichnung «Cross-System Entity» regelt vereinfacht gesagt den Datenverkehr zwischen den Einheiten.

Nutzen und Chancen beim Einsatz

Digitale Zwillinge können während allen Phasen des Produktlebenszyklus von Nutzen sein. Der generelle Nutzen des Digitalen Zwillings liegt in der Bereitstellung von Entscheiden oder Entscheidungsgrundlagen in Echtzeit.

Der Nutzen eines Digitalen Zwillings ist somit weitreichend. Er ermöglicht es zum Beispiel:

•     In der Entwicklung Wechselwirkungen zwischen Software und Konstruktionen zu überprüfen.
•     In der Produktion Planung und Steuerung von Aufträgen zu verbessern und somit Durchlauzeiten zu verkürzen
•     Materialflüsse und Lagerverwaltungen zu optimieren.
•     Prozesse zu stabilisieren (konstante oder bessere Qualität)
•     Den vorbeugenden Unterhalt (predictive maintenance) zu garantieren sowie Schadensfälle bei Maschinen und Anlagen zu vermeiden.

Die Auflistung ist nicht abschliessend, da der Nutzen und die Einsatzbereiche des Digitalen Zwillings sehr vielschichtig sind.