Nutzung digitaler Zwillinge für Technologieentwicklung und -herstellung

Digitale Zwillinge bieten Ingenieuren leistungsstarke Designsimulationen, virtuelle Sandkästen, ganzheitliche Performancevorhersagen und Optimierungsroutinen. Je nach Anwendung beschleunigt dies entweder die iterative Entwurfsarbeit oder steigert die operative Performance im laufenden Betrieb.

Digitale Zwillinge integrieren Simulationen mit maschinellem Lernen und Datenanalyse, um Ingenieuren das Testen, Verfeinern und Perfektionieren von Entwürfen in zwei wichtigen Entwurfsstadien zu ermöglichen - bevor sie physisch realisiert werden und (bei anspruchsvolleren Systemen) sobald sie in Betrieb sind und von der kontinuierlichen Optimierung profitieren. In beiden Phasen können digitale Zwillinge die Designqualität, die Kosten und sogar die Sicherheit und Cybersicherheit erheblich verbessern.

Es wird immer üblicher, dass diese virtuellen Darstellungen - einschließlich verbundener Modelle von physischen Komponenten, Produktbaugruppen, Prozessen und Systemen - in Echtzeit mit auswertbaren Daten aktualisiert werden.

Abbildung 1: Die 3D-Produktsimulationssoftware Ansys Discovery und die Omniverse-Blueprint-Vorlagen (Workflows) von NVIDIA ermöglichen Echtzeit-CAE (Computer-Aided Engineering) zur Erzeugung digitaler Zwillinge für umfangreicher Arbeitsabläufe. (Bildquelle: Ansys)

Das Kernstück der Funktion digitaler Zwillinge, die Entwürfe in der physischen Welt widerspiegeln, sind Sensoren und IoT-Komponenten, die Daten an Software weitergeben, die wiederum das Design im virtuellen Raum erstellt. Hier wird zunehmend das so genannte Edge-Computing eingesetzt, bei dem Sensoren die von ihnen gesammelten Daten über physische Systeme verarbeiten, bevor sie an das virtuelle Gegenstück weitergeleitet werden.

Abbildung 2: Die Trägheitsmesseinheiten (IMUs) von Honeywell sind integrierte intelligente Sensoren, die die Ausrichtung und Bewegung von Flugzeugen für die Flugdynamikmodellierung mit digitalen Zwillingen verfolgen. (Bildquelle: Honeywell Aerospace)

Ziehen Sie digitale Zwillinge für die Produktentwicklung in der Elektronikindustrie in Betracht. Die Modelle ermöglichen eine relativ risikofreie Untersuchung und Anpassung der Performance mechanischer Schaltungen, möglicher Arten elektromagnetischer Störungen und des thermischen Verhaltens, ohne dass kostspielige physische Prototypen erforderlich sind, deren Beschaffung und Erprobung viel Zeit in Anspruch nehmen kann. Diese und andere Produkte, die mit Hilfe von digitalen Zwillingen entwickelt werden, sind in der Regel Innovationen, die die Anforderungen der Industrie übertreffen. Die Automobil-, Luft- und Raumfahrt- sowie die Verteidigungsindustrie können am meisten von solchen Designansätzen profitieren, da selbst geringfügige Änderungen in diesen Bereichen die Funktionalität und Herstellbarkeit des Designs erheblich beeinflussen können.

Video: Piezoelektrische Beschleunigungssensoren sind unverzichtbar, um das Schwingungsverhalten in die digitalen Zwillinge industrieller Anwendungen einzubeziehen. Die IO-Link-Kommunikation vereinfacht die Verarbeitung der Ausgangsdaten des Beschleunigungssensors. (Videoquelle: Amphenol PCB Piezotronics)

Wenn sie auf die Modellierung intelligenter Fabriken und darüber hinaus ausgedehnt werden, dienen digitale Zwillinge zunehmend als Grundlage für das größere industrielle Metaversum. Dieser digitale Bereich modelliert und vernetzt ganze Maschinen, Industrieanlagen und Lieferketten, um sie in die Produktion einzuspeisen und zu verteilen.

Der einzige Haken? Die Programmierung, der Rechenaufwand und der Energieverbrauch für die Pflege des industriellen Metaversums sind erheblich. Die Nutzung dieses Metaversums erfordert:

• Ultraschnelles Internet und leistungsstarke Prozessoren - vor allem, wenn grafikintensive 3D-Virtual-Reality-Einstellungen Teil des Systems sind
• Echtzeit-Assimilation von oft umfangreichen Sensordaten
• Virtuelle Produktionsanlagen und ihre unzähligen digitalen Objekte, die in Rechenzentren (für Cloud-Funktionen) gehostet und in vielen Fällen mit Blockchain-Technologie geschützt werden
• KI-gesteuerte Analysen und neuronale Netze für maschinelles Lernen sind bekanntermaßen sehr energieintensiv

Wenn die Investitionen in Konzepte, die digitale Zwillinge und das industrielle Metaversum nutzen, gerechtfertigt sind, neigen extrem große Unternehmen dazu, die Werkzeuge zu liefern, die ihre Nutzung unterstützen. Im Gegensatz dazu profitieren kleine und mittlere Unternehmen am meisten von ihrem Einsatz. So unterstützen beispielsweise die Software-Ökosysteme von Siemens, Autodesk und Dassault Systèmes das Design und die Verwendung ganzheitlicher virtueller Modelle; die Simulationswerkzeuge von Ansys und Altair Engineering (einschließlich des Produkts One Total Twin) ermöglichen die Produktmodellierung unter Berücksichtigung von Parametern wie Materialeigenschaften und Performance über einen erwarteten Lebenszyklus.

Weitere Lektüre: Wie kleine bis mittelgroße Unternehmen ein industrielles Metaverse nutzen können, um Robotiklösungen zu erforschen und zu implementieren

Die am schnellsten verbreiteten Anwendungen sind in den Bereichen Logistik, Fertigung, Gesundheitswesen, Bildung, Unterhaltung und Stadtplanung zu finden. Tatsächlich bezieht sich ein Teil der Metaverse-Nutzung, die der Fertigung zugeschrieben wird, auf die Verbesserung von Lieferketten - insbesondere für Programme zur Steigerung der Transporteffizienz und Transparenz.

In der Fertigung wird das industrielle Metaversum jedoch immer häufiger eingesetzt - insbesondere zur Reduzierung von Engpässen, zur Prozessoptimierung, zur Qualitätskontrolle und für Programme zur vorausschauenden Wartung.