Digital-Twin-Technologie: 5 Herausforderungen, denen sich Unternehmen stellen müssen, wenn sie diese Technologie außer Acht lassen

Eine bahnbrechende Technologie ist ein Produkt, ein Konzept oder eine Dienstleistung, das/die in der Lage ist, die herkömmliche Art und Weise, Dinge zu tun, neu zu definieren. Heute wird das Konzept des digitalen Zwillings als eine bahnbrechende Technologie gefeiert, die die Art und Weise, wie wir entwerfen, komplexe Probleme lösen und zusammenarbeiten, verändern kann. Ein Gartner-Bericht prognostiziert, dass bis 2021 etwa 50 % der Industrieunternehmen digitale Zwillingstechnologien einsetzen werden, um die Leistung der Mitarbeiter und die Effizienz der Produktion zu steigern. Was also ist dieses bahnbrechende technologische Konzept?

Der digitale Zwilling bezieht sich auf eine Echtzeit-Nachbildung einer physischen Einheit. Bei dieser Einheit kann es sich um ein Lebewesen, ein unbelebtes physisches Objekt oder auch um Anlagen, Prozesse und Systeme handeln, die in der physischen Welt oder Umgebung funktionieren. Obwohl dieses Konzept eigentlich schon drei Jahrzehnte alt ist, hat es durch die Konvergenz neuer Technologien wie dem Internet der Dinge (IoT), künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen neue Dimensionen erreicht. Digitale Zwillinge stellen diese aufstrebenden Technologien nebeneinander, um digitale Modelle physischer Einheiten zu erstellen, die in der Lage sind, Änderungen, die am physischen Modell auftreten, in Echtzeit zu simulieren.

Ein Beispiel dafür, wie dieses Konzept funktioniert, ist die Entwicklung des digitalen Zwillings eines Flugzeugs. Mit dem digitalen Zwilling kann eine Finite-Elemente-Analyse (FEA) durchgeführt werden, um die Ermüdungsgrenze der Flugzeugstruktur zu bestimmen. Die Ergebnisse dieser Simulation können dann genutzt werden, um geeignetere Materialien auszuwählen oder ein haltbareres Flugzeug zu konstruieren. Außerhalb der Fertigung können digitale Zwillinge in verschiedenen Branchen eingesetzt werden, z. B. im Gesundheitswesen, um zu simulieren, wie der menschliche Körper auf äußere Kräfte reagiert. Zu den Vorteilen der Integration digitaler Zwillinge gehören die Steigerung der Designeffizienz, die Verbesserung der prädiktiven Analyse und die Zusammenarbeit. Deshalb wird erwartet, dass der Markt für digitale Zwillinge bis 2023 ein Volumen von etwa 15 Milliarden US-Dollar erreichen wird. Die Vorteile digitaler Zwillinge sind enorm, aber die Herausforderungen, denen sich Unternehmen gegenübersehen, wenn sie sich nicht darauf einlassen, sind noch größer.

Dieser Artikel erörtert:

• Die Herausforderungen für Unternehmen, die den digitalen Zwilling nicht in ihre Geschäftsabläufe integrieren.
• Die Auswirkungen der Nicht-Einbeziehung des digitalen Zwillings.
• Die disruptiven Fähigkeiten des digitalen Zwillings.

Die fünf Herausforderungen, denen sich Unternehmen gegenübersehen, die den digitalen Zwilling nicht einbeziehen

Etwa 50 % der Industrieunternehmen integrieren die Nutzung des digitalen Zwillings, und die anderen 50 % werden definitiv ihren Wettbewerbsvorteil verlieren. Das liegt daran, dass der digitale Zwilling Echtzeit-Simulationsanwendungen in einer Weise neu definieren wird, die die durchschnittliche 3D-Modellierungssoftware oder Building Information Modelling-Plattform nicht erreichen kann. Zu den zu erwartenden Herausforderungen gehören:

Beibehaltung alter Lösungen, Entwürfe oder Daten - Da die Generation der Babyboomer täglich in den Ruhestand geht, besteht die Gefahr, dass das Wissen, auf dem alte Anlagen und Systeme beruhen, verloren geht. Dazu gehören die Mylar-Kopien traditioneller Produktionsanlagen oder die Entwürfe alter Militärflugzeuge. Unabhängig von technologischen Fortschritten zerstört der Verlust von Altdaten die Grundlagen, auf denen neuere Prototypen aufgebaut wurden.

Mit Hilfe des Konzepts des digitalen Zwillings können Unternehmen aller Branchen ein genaues digitales Modell von alten Anlagen oder Lösungen erstellen. Das digitale Modell kann dann für die Nachwelt gespeichert oder mit dem Ziel der Entwicklung verbesserter Prototypen analysiert werden. Die Modelle können auch als Material für die Ausbildung der jüngeren Generation von Arbeitnehmern durch Virtual-Reality-Umgebungen verwendet werden.

Verbesserung schlanker Fertigungsprozesse - Toyotas Integration der schlanken Fertigung zur Beschleunigung der Produktion bei gleichzeitiger effizienter Ressourcennutzung hat sich in der Automobilindustrie herumgesprochen. Die Integration von Lean-Manufacturing-Modellen - die zu jener Zeit bahnbrechend waren - half Toyota, die Branche jahrzehntelang zu dominieren. Genau diese Hebelwirkung bietet das Konzept des digitalen Zwillings. Mit dem digitalen Zwilling lassen sich ganze Produktwertschöpfungsketten in Echtzeit optimieren.

Eine Studie an der Universität Bayreuth, Deutschland, konzentrierte sich auf die Analyse der Auswirkungen digitaler Zwillinge bei der Erfassung von Echtzeitdaten und der Optimierung von Produktionssystemen. Die Studie verglich die Effizienz von digitalen Zwillingen und den üblicherweise verwendeten Wertstromabbildungslösungen. Am Ende zeigte sich, dass digitale Zwillinge bei der Datenerfassung, der automatisierten Ableitung von Optimierungsmaßnahmen und der Erfassung von Bewegungsdaten den traditionellen Lösungen überlegen sind. Diese Daten, die für die Optimierung der Produktion entscheidend sind, können in einer digitalen Zwillingsumgebung auch für die Optimierung diverser Prozesse genutzt werden. Wer also auf digitale Zwillinge verzichtet, lässt die Unternehmen im Stich, während die Wettbewerber, die dieses Konzept nutzen, die Produktionsvariablen in Echtzeit optimieren können.

Einschränkungen bei der Integration und Nutzung von Daten - Die derzeit stattfindende Industrie 4.0-Revolution stützt sich stark auf die Sammlung und Nutzung von Daten, um wichtige Geschäftseinblicke zu erhalten und Prozesse zu automatisieren. Die derzeit verwendeten Tools oder Anwendungen sind Enterprise Relationship Management-Software und industrielle Cloud-Lösungen. Diese Lösungen eignen sich zwar hervorragend für die Erfassung von Daten aus intelligenten Geräten oder Geräten aus dem industriellen Internet der Dinge (IIoT), aber sie haben immer noch Probleme mit der Erfassung von Daten aus älteren oder stummen Geräten. Dies schränkt die Durchdringung der Industrie 4.0 in den tiefsten Schichten der Fertigungshallen ein, was die OPC Foundation zu lösen beabsichtigt.

Konzepte des digitalen Zwillings können intelligenten Fabriken dabei helfen, dumme Geräte aus den tiefsten Ebenen einer Produktionshalle in Modelle der Fertigungsanlage zu integrieren. Dadurch wird es möglich, die Hunderte von nicht gemessenen Informationen in der Fertigungshalle in einer digitalen Umgebung zu erfassen und so die Standards von Industrie 4.0 und OPC UA zu erfüllen. Wenn dies gelingt, kann der digitale Zwilling mit den erfassten Daten zur Vorhersage der vorübergehenden Reaktion der Anlage auf externe Störungen, Geräteausfälle und Systemfehlfunktionen verwendet werden.

Hersteller, die das Konzept des digitalen Zwillings außer Acht lassen, müssen sich darauf beschränken, Daten von intelligenten Geräten und IoT-Geräten zu verwenden, um Echtzeitveränderungen in der Produktion zu verfolgen. Die Einschränkungen, die mit der Nichterfassung von nicht gemessenen Daten verbunden sind, führen zu Annäherungen bei der Automatisierung von Abläufen in einer intelligenten Fabrik. Dies könnte zu Ausfallzeiten, einer ineffizienten Belegschaft und im Extremfall zu Unfällen bei den Arbeitern führen.

Begrenzung der Effektivität der prädiktiven Analyse - Eine weitere wichtige Herausforderung, die die Integration digitaler Zwillinge in industrielle Abläufe verhindert, sind die Schwierigkeiten, die mit blinden oder halbinformierten Änderungen einhergehen. Blinde Änderungen bei wichtigen Entscheidungen wie dem Entwurf eines neuen Materialhandhabungssystems oder der Verringerung der Anzahl von Prozessen, die für die Entwicklung eines Produkts erforderlich sind, haben schreckliche Folgen. Zu diesen Folgen gehören die Verschwendung von Ressourcen, ein minderwertiges Endprodukt oder Verwirrung in der Fertigung.

Nach Angaben von Gartner können Ausfallzeiten in der Fertigungsindustrie zu enormen Verlusten führen. Allein in der Automobilindustrie sind Ausfallzeiten für einen Verlust von 22.000 Dollar pro Minute verantwortlich. Auch wenn die Zahlen in anderen Branchen geringer sind, so sind die Auswirkungen doch beträchtlich. Digitale Zwillinge können dazu beitragen, diese Herausforderungen oder Verluste zu beseitigen, indem sie den Unternehmen helfen, die Auswirkungen bestimmter Änderungen in Echtzeit zu simulieren. So hätte beispielsweise eine Änderung des Produktionsplans während einer Übergangsphase dazu geführt, dass der Flugzeughersteller Lockheed Martin seine Lieferfristen nicht einhalten konnte. Mit Hilfe der Simio-Simulationssoftware war der Hersteller in der Lage, fundierte Entscheidungen zu treffen und den Produktionsprozess zu optimieren.

Nächste Schritte

Der Übergang zu Industrie 4.0 und einer stärker vernetzten Fabrik muss geplant werden, wenn Hersteller langfristig wettbewerbsfähig bleiben wollen. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist die Integration eines digitalen Zwillings für die Simulation und die Gewinnung von Erkenntnissen, die für die Automatisierung von Industrieprozessen erforderlich sind. Bei richtiger Ausführung werden Sie die disruptive Natur des digitalen Zwillings zu Ihrem Vorteil nutzen.

Ressourcen:

https://www.gartner.com/smarterwithgartner/prepare-for-the-impact-of-digital-twins/

https://news.thomasnet.com/companystory/downtime-costs-auto-industry-22k-minute-survey-481017

https://www.isw.uni-stuttgart.de/en/institute/highlights/digital-twin/

https://www.gartner.com/smarterwithgartner/prepare-for-the-impact-of-digital-twins/