Digitale Zwillinge

Simulationen bei Siemens
Digitaler Zwilling

Treiber der digitalen Revolution

Heute werden komplexeste Produkte und Prozesse in der virtuellen Welt entwickelt, getestet und optimiert, bevor sie in der realen Welt hergestellt werden. Dafür werden die zukünftigen Produkte als Softwaremodelle erstellt und simuliert – als sogenannter digitaler Zwilling.

Moderne Produktionsanlagen existieren heute längst nicht mehr nur in der physischen Welt. Egal, ob es Fräsmaschinen, Fließbandroboter, vollautomatisierte Lager, Klimaanlagen oder Beleuchtungssysteme sind, sie senden Signale an Rechner und Server vor Ort und ermöglichen so eine ständige Momentaufnahme des aktuellen Zustands einer Fabrik. Das hilft den Betreibern an Steuerpulten nicht nur, zu wissen, was in ihren Werken passiert. Sie können die Informationen auch dazu nutzen, die Produktivität zu steigern, die Sicherheit zu gewährleisten und rasch Anpassungen an sich wandelnde Bedingungen vorzunehmen. Dabei gibt es ein digitales Werkzeug, das diesen Prozess kontinuierlicher Optimierung heute wie kein anderes erleichtert – den „digitalen Zwilling“. 

Digitale Zwillinge sind virtuelle Ebenbilder der Produkte, Maschinen, Prozesse oder gar ganzer Produktionsanlagen, die alle relevanten Daten und Simulationsmodelle enthalten – sei es zu einer Elektronikschaltung, einer Fabrik, zu Schienenfahrzeugen oder Gebäuden. Digitale Zwillinge erlauben nicht nur, Produkte schneller zu entwerfen, zu simulieren und herzustellen, sie ermöglichen es auch, sie je nach Wunsch besonders günstig, leistungsstark, robust oder umweltfreundlich zu gestalten. Zudem kann der virtuelle Doppelgänger ein Produkt wie ein digitaler Schatten durch alle Stufen der Wertschöpfungskette begleiten – von der Herstellung über den Betrieb bis hin zum Service oder gar Recycling. Nahtlos verknüpft er so idealerweise drei Ps: Produkt, Produktion und Performance. 

Optimierung der Entwicklung

Effizienz vor dem ersten Spatenstich

Digitale Zwillinge erlauben, in kürzerer Zeit bessere Produkte zu entwickeln. Schnellere Produktentwicklung bei höherer Qualität – das ist möglich, weil sich mit dieser Technologie Produkte nicht nur virtuell entwerfen, sondern auch testen lassen, ehe physische Modelle gebaut werden. Der virtuelle Doppelgänger steigert aber auch die Effizienz des Designs, da sich dieses mit mehr Konfigurationen durchspielen und testen lässt, als physisch in vergleichbarer Zeit überhaupt möglich wäre.

Digitale Zwillinge ermöglichen so beispielsweise, die Energieeffizienz eines Neubaus zu steigern: Mit den geometrischen Daten aller Gebäudeelemente, mit den Zeitplänen und Budgets für das gesamte Projekt, den relevanten Daten zu Energieversorgung, Beleuchtung, zum Brandschutz und zum Gebäudemanagement ist es heute kein Problem mehr, die Klimabilanz eines Baus noch vor dem ersten Spatenstich zu optimieren. 

Dabei ist das Potenzial des digitalen Zwillings nach der Fertigstellung eines Produkts noch lange nicht ausgeschöpft. Er kann während des Betriebs weiter Daten sammeln, etwa, was physische Belastungen angeht, welche Komponenten ausfallen oder wie ein Objekt – sei es eine Fräsmaschine, ein Flugzeug oder ein Gebäude – hauptsächlich genutzt wird. Diese Informationen helfen nicht nur bei der Optimierung im laufenden Betrieb, sie unterstützen Designer, Architekten und Ingenieure dabei, die nächste Generation eines Produkts vorzubereiten. „Ziel dieser Entwicklung ist ein geschlossener Kreislauf, der die virtuelle Welt der Produktentwicklung und Produktionsplanung mit der physischen Welt der Produktionssystem- und Produktperformance verbindet“, sagt Dirk Hartmann, leitender Experte für Simulationen bei Siemens Corporate Technology. 

Interview

Digitale Zwillinge werden zunehmend wichtiger

Karen E. Willcox ist angewandte Mathematikerin und Director of the Institute of Computational Engineering and Sciences. Ihre Arbeiten zu vereinfachten Simulationsmodellen ermöglichen es, die Entwicklung und das Design komplexer Systeme wie Flugzeuge zu beschleunigen.

Warum gewinnt das Konzept des digitalen Zwillings gerade jetzt an Prominenz?

 

Willcox: Die enorme Rechenleistung, über die wir heute verfügen, kombiniert mit leistungsstarken Algorithmen, macht es heute möglich, digitale Zwillinge zu nutzen. Maschinelles Lernen hilft zudem, wichtige Muster in den großen Datenmengen zu identifizieren, die wir in komplexen Systemen wie Flugzeugen sammeln. Dazu kommen ausgefeilte physikbasierte Modelle, mit denen sich belastbare Vorhersagen treffen lassen. Eine weitere Innovation sind neue Hardwarearchitekturen, die es ermöglichen, Daten effizient zu sammeln und zu analysieren, um sie dann in digitale Zwillinge zu integrieren. Ein Beispiel dafür sind neuromorphe Chips, die leicht und energieeffizient sind und sich daher gut für die Analyse von Daten etwa noch während des Flugbetriebs eignen.

Müssen Simulationen komplette, reale Prozesse für ein richtiges Resultat abbilden? Oder genügt es, wenn sie dieses schlicht vorhersagen?

 

Willcox: Die Verwendung eines Black-Box-Modells ist nur in Ordnung, solange es funktioniert – aber weiß man dann auch, dass es in Zukunft funktioniert? Die Frage ist, ob man seinem Modell vertraut - und das Vertrauen ist höher, wenn man versteht, was tatsächlich passiert. Deshalb sind physikbasierte Modelle unumgänglich.

 

Welche Rolle spielt Siemens in diesem Feld?

 

Willcox: Ich habe Siemens-Experten bei Workshops und Konferenzen getroffen und mich mit Ihnen ausgetauscht. Siemens ist maßgeblich daran beteiligt, diese Modellierungstechnologien voranzutreiben und ist bei der Entwicklung und Einsatz des digitalen Zwillings für reale Systeme mit führend.

Werden digitale Zwillinge unseren Alltag begleiten?

 

Willcox: Computermodellierungen und digitale Zwillinge werden zunehmend wichtiger. Sie verbessern die Leistung eines Systems, verlängern seine Lebensdauer und helfen, Kosten zu senken. Derzeit wird das vor allem für teure und komplexe Maschinen eingesetzt. In Zukunft sollte der Einsatz digitaler Zwillinge in einigen Bereichen unseres täglichen Lebens Routine werden – etwa, wenn es um das Energiemanagement unseres Hauses geht. Vor allem erwarte ich aber, dass wir mehr Anwendungen digitaler Zwillinge in der Industrie sehen werden. Um das zu erreichen, sind jedoch Änderungen in den Lehrplänen und in der Ausbildung erforderlich. Die Ingenieure und Techniker der nächsten Generation müssen nicht nur für den Einsatz dieser neuen Instrumente gerüstet sein, sondern sie müssen auch ihre Möglichkeiten und Grenzen verstehen.

Siemens - ein technologischer Vorreiter

Wegbereiter der Industrie 4.0

Siemens setzt digitale Zwillinge selbstredend auch für eigene Produkte ein, sei es beim Design von Gasturbinen, in Fabriken wie dem Siemens-Elektronikwerk Amberg oder Neubauten wie der Siemens-Zentrale von Building Technologies im schweizerischen Zug. Doch die Bedeutung der Digitalisierung für das Unternehmen geht weit darüber hinaus. So ist es die zentrale Aufgabe der am 1. April 2019 ins Leben gerufenen Siemens Operating Company „Digital Industries“ (DI), Industrieunternehmen die Möglichkeiten der Digitalisierung zu offerieren.

Ein Beispiel: Das neue Elektroauto „Solo“ des kanadischen Start-ups Electra Meccanica, seit 2019 in Nordamerika auf dem Markt, wurde mithilfe von Siemens-Softwareprogrammen für den digitalen Zwilling entworfen, simuliert und angefertigt. Das Unternehmen konnte alle Elemente, egal ob Mechanik, Elektronik, Software oder Systemleistung, mit dem digitalen Zwilling im Vorfeld testen und optimieren. Auch andere Unternehmen nutzen die Siemens-Software für digitale Zwillinge: So verdankt der Prototyp eines Sportwagens des kalifornischen Unternehmens Hackrod die futuristische Form seines Leichtbaurahmens ebenfalls einem digitalen Zwilling von Siemens.

 

Aber den virtuellen Doppelgänger gibt es nicht nur für Produkte, sondern auch für komplette Fabrikanlagen und ihre Prozesse. So setzt der deutsche Hersteller automatisierter Verpackungs- und Abfüllanlagen für die Pharmaindustrie, Bausch + Ströbel, für Sondermaschinen neuerdings ganz auf mit Siemens-Software entwickelte digitale Zwillinge. Das Unternehmen geht davon aus, dass es seine Anlagen damit bis 2020 deutlich schneller entwickeln kann.

All das bereitet der viel beschworenen Industrie 4.0, das heißt der Digitalisierung industrieller Prozesse, stetig den Weg. Im Elektronikwerk Amberg ist sie allerdings heute schon Standard. Täglich registrieren dort Sensoren Millionen Prozessinformationen aus der Herstellung von Simatic-Steuerungen, die mithilfe des offenen IoT-Betriebssystems MindSphere einem virtuellen Modell der Fabrik zugeordnet werden – und dann helfen, die Produktion zu optimieren. Die Folgen sind extrem hohe Prozessgenauigkeit und so gut wie kein Ausschuss.

Hohe Wachstumsraten

Der Markt für digitale Zwillinge

Das IT-Analyse- und Marktforschungsinstitut Gartner geht heute davon aus, dass die Hälfte aller großen Industrieunternehmen bis 2021 digitale Zwillinge einsetzen wird. Entsprechend hoch sind die Erwartungen an die zukünftigen Wachstumsraten: So geht etwa die Marktforschung der Analysten von „Grand View Research“ davon aus, dass der Markt für digitale Zwillinge bis 2025 auf 26 Milliarden Dollar anwachsen wird – bei jährlichen Wachstumsraten von rund 38 Prozent.

Zu den Treibern dieser Entwicklung gehören alle Technologiefelder, in denen Siemens prominent aufgestellt ist – vom Internet der Dinge (IoT) über intelligente Datenanalyse bis hin zu industrieller Prozessoptimierung. Und auch in vielen der Branchen, in denen der digitale Zwilling reüssieren soll, ist Siemens stark vertreten – in der fertigenden Industrie, der Medizintechnik, bei Verkehrssystemen, der Energieversorgung und in der Infrastruktur. „Unser Anspruch ist es, von diesem Trend nicht nur zu profitieren, sondern ihn entscheidend mitzugestalten. Deshalb hat Siemens ‚Simulation & Digitaler Zwilling‘ auch zu einer ‚Company Core Technology‘ erklärt, also einem Feld, in dem wir als Unternehmen Vorreiter sein wollen“, sagt Herman Van der Auweraer, Softwareexperte und Leiter dieses Technologiefeldes. 

Ausblick

Die simulierte Zukunft

Digitale Zwillinge werden immer mehr zum akzeptierten Standard der Entwicklung von Produkten, Anlagen und ganzen Systemen. Doch dabei bleibt die Technologie nicht stehen. Je etablierter sie ist, desto öfter werden digitale Zwillinge künftig auch für verschiedene Zertifizierungen wie Sicherheits- oder Umweltstandards akzeptiert. Zudem werden Produkte in absehbarer Zeit gemeinsam mit ihrem digitalen Zwilling ausgeliefert. Das erlaubt Nutzern direkt relevante Simulationen, etwa um festzustellen, wie heiß der Motor einer Industrieanlage werden kann. Und letztlich werden digitale Zwillinge unweigerlich Teil unseres Alltags werden, indem sie gerade Personen ohne technisches Vorwissen einfache Antworten auf komplexe Fragen geben. Will ein Hausbesitzer wissen, wie er das Energiemanagement seines Zuhauses möglichst klimafreundlich gestalten kann, wird er eines Tages nur noch ein Programm aufrufen müssen, das die Daten seines Gebäudes gespeichert hat. 

Digitale Zwillinge bei Siemens

Picture credits von oben: 6. und 7.Bild Oden Institute for Computational Engineering and sciences, 8. Hackrod