Digitaler Zwilling in der Produktion. Kann der digitale Zwilling die klassische Produktionsplanung revolutionieren?

Inhaltsverzeichnis

I Abkürzungsverzeichnis

II Abbildungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Theoretische Grundlagen
2.1 Definition des digitalen Zwillings
2.2 Aufbau und Funktionsweise
2.3 Anforderung für die Implementierung
2.4 Geschäftsmodelle
2.5 Herausforderung an die Forschung

3 Anwendung
3.1 Anwendungsgebiete
3.2 Einzelfallbeispiel 1 Produktion
3.3 Einzelfallbeispiel 2 Produktion

4 Bewertung
4.1 Chancen und Risiken
4.2 Fazit

III Literaturverzeichnis

I Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

II Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 Entwicklung der Anwendungsbereiche des Digitalen Zwillings (Klostermeier R., 2019)

Abbildung 2 Prinzipskizze Schmelzspinnen (Institut F. , www.itwm.fraunhofer.de, 2019)

Abbildung 3 Beispiel eines Smart Product im Bereich Werkzeugmaschine Siemens AG; (Obermeier, 2019, S. 86)

1 Einleitung

Der Begriff des digitalen Zwillings ist vor dem Hintergrund der Digitalisierung und der Industrie 4.0 in vieler Munde. Die Industrie wird zunehmend digitalisiert und es ist von hoher Bedeutung passende Digitalisierungslösungen und Ansätze zur Unterstützung dieses Unterfangens zu erhalten. Wissenschaftler gehen davon aus, dass der digitale Zwilling hierbei eine große Unterstützung sein kann.^[1]

Mit dem digitalen Zwilling können Produkte, wie auch Prozesse über einen Lebenszyklus digital abgebildet werden. Dieses kann für die Planung von Produktionslinien hilfreich sein. Es ist heutzutage von höchster Bedeutung, Projekte akkurat zu planen und auch jeglichen Mehraufwand, welcher zwangsläufig mit Mehrkosten verbunden ist, zu verhindern. Dabei könnte der digitale Zwilling durch sein breites Feld an Nutzungsmöglichkeiten eine Hilfe sein. Es können beispielsweise Produktionsanlagen noch vor der tatsächlichen Inbetriebnahme digital abgebildet und ausgetestet werden. Weiterhin stellen sich Ingenieure immer wieder die Frage, wie man frühzeitig Qualitäts- oder Sicherheitsprobleme eines Produktes feststellen kann oder auch welche Features die eigenen Kunden wirklich brauchen. Auch hierbei könnte der digitale Zwilling durch Simulation von Prozessen behilflich sein.^[2]

Der digitale Zwilling verspricht eine vielfältige Anwendbarkeit. Allerdings ist er noch nicht lange im Betrieb und auch gibt es viele Unternehmen, die ihn bis heute nicht einsetzen. Weiterhin sind Akteure in der Prozessindustrie skeptisch und fragen sich, ob der digitale Zwilling sich durchsetzen wird. Für potenzielle Anwender ist oftmals unklar, wie der digitale Zwilling die Wertschöpfung beeinflussen kann und wie Geschäftsmodelle in der digitalen Welt gestaltet werden können.^[3]

Aus diesem Anlass wird sich die folgende Ausarbeitung mit den Merkmalen und den zugehörigen Potenzialen, welche für die klassische Produktionsplanung hervorgeht, befassen.

Zunächst wird erläutert, wo der Begriff des digitalen Zwillings seinen Ursprung hat. Anschließend werden der Aufbau, die Funktionsweise und die Anforderungen für die Implementierung erklärt. Als Nächstes werden 2 Fallbeispiele vorgestellt, um die möglichen Funktionsweisen und Anwendungsgebiete näher zu erläutern. Zudem wird auf die Herausforderung an die Forschung eingegangen und die möglichen Geschäftsmodelle, welche durch den digitalen Zwilling realisiert werden können. Anschließend werden die Chancen und Risiken, die sich aus dem digitalen Zwilling ergeben vorgetragen. Abschließend wird eine kritische Würdigung, indem die Potenziale, welcher der digitale Zwilling mit sich bringt, erläutert werden.

Um einen realistischen und aktuellen Forschungsstand darstellen zu können, wird sich die Recherche ausschließlich auf junge wissenschaftliche Berichte beziehen. Ausnahmen könnten hierbei historische Gründe sein.

2 Theoretische Grundlagen

2.1 Definition des digitalen Zwillings

Eine frühe Definition des digitalen Zwillings tauchte in einem Bericht der Area 11 der NASA aus dem Jahre 2010 auf. Die Definition der NASA wurde hier in Verbindung einer bestimmten Einsatzvorstellung kreiert.^[4]

Der digitale Zwilling oder auch im englischen „digital Twin“ genannt, kann das Abbild eines Produktes oder auch eines Prozesses sein. Allgemein kann man sagen, er ist das reale Abbild eines existierenden Gegenstands.^[5]

Das Fraunhofer Institut geht in einem Beitrag von Prof. Dr. Rainer Stark, Leiter des Fachgebiets industrielle Informationstechnik der Technischen Universität Berlin und Direktor des Geschäftsfeldes virtuelle Produktentstehung des Fraunhofer-Instituts für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik, davon aus, dass in der Zukunft jede Fabrik doppelt durch ein digitales Abbild bestehen wird. Somit hätten Produktionsplaner, Produktentwickler und auch andere Beteiligte stets ein genaues Bild der Produktionslinie und würden anfallende Anomalien wie auch Probleme sofort erkennen können. Weiterhin führt das Fraunhofer Institut an, dass jedes Produkt einen digitalen Schatten durch Betriebs-, Zugangs- und Prozessdaten produziert. Der digitale Zwilling besteht hierbei aus einer intelligenten Verbindung, welche aus einem Algorithmus, einem Simulationsmodell wie auch einer Wechselbeziehung und vielen weiteren Bestandteilen besteht. Der Kern des digitalen Zwillings ist hierbei die einzigartige^[6] „Instanz eines universalen digitalen Vorlagemodells und dessen individuellem digitalem Schatten.“^[7]

Das August-Wilhelm Scheer Institut hat hierzu einen Vergleich in Bezug auf die Menschen, welche im Internet surfen aufgestellt. Dabei erklären Sie das jegliche Bewegung, welche Menschen im Internet machen, z. B. durch Einkäufe im Internet, wie auch das Besuchen von sozialen Netzwerken einen digitalen Schatten der Nutzer erzeugt. Ob dieses den Nutzern behagt oder ob dieses erwünscht ist, hängt von den jeweiligen Nutzern selbst ab.^[8]

Ob menschlich oder auch maschinell digital abgebildeter Zwilling, verfolgen beide das Ziel, Arbeitsschritte effizienter zu gestalten. Gerade im Anlagenbau indem mehrere Bereiche wie Konstruktion, Elektroplanung, Steuerungsentwicklung und weitere Bereiche gemeinsam ein Ziel verfolgen, setzen digitale Assistenzsysteme an. Beispielsweise bei einer Inbetriebnahme einer Fertigungslinie ist es von höchster Bedeutung, dass diese schnellstmöglich in Betrieb genommen werden kann und fehlerfrei läuft. Auch eine Instandhaltung, welche den Fertigungsprozess so wenig wie möglich blockiert oder ausfällen lässt, ist hier ein oftmals verfolgtes Ziel. Hierbei werden allerdings Betriebspersonal und Fachkräfte aus der Instandhaltung immer wieder mit neuen Herausforderungen konfrontiert. Gerade in solchen Fällen kann der digitale Zwilling Abhilfe leisten. Mit ihm können verschiedene Arbeitsbereiche vernetzt und anhand dieser Vernetzung eine Planung aufgestellt werden. Darüber hinaus hilft der digitale Zwilling dabei, einen Überblick über Arbeitsschritte wie anstehende Wartungsarbeiten zu behalten.^[9]

Eine Aussage von Prof. Dr. Rainer Stark führt Folgendes an:^[10] „Bislang fand die Wertschöpfung ausschließlich in der realen Welt statt. Der digitale Zwilling legt nun den Grundstein dafür, dass Unternehmen Informationen aus dem wahren Produktleben zurückgespiegelt bekommen und diese weiterverarbeiten können. Damit erhalten Modelle, die bislang lediglich am Beginn der Entwicklungskette standen, einen neuen Wertschöpfungsanteil und begleiten ein Produkt über den gesamten Lebenszyklus hinweg.“^[11]

Das Marktforschungsunternehmen Gartner schätzt eine damit verbundene Produktivitätssteigerung von 25 %. Weiterhin wird prognostiziert, dass bis 2021 die Hälfte der großen Industrieunternehmen mit dem digitalen Zwilling arbeiten und bereits eine Produktivitätssteigerung von 10 % erreichen werden.^[12]

Auch das Bundesministerium für Bildung und Forschung führt an, dass der digitale Zwilling die Entwicklung, die Fertigung und auch die Betriebe revolutionieren wird. Dabei wird von dem Innovationsforum „InnoSentriS“ eine Notwendigkeit der Weiterentwicklung des digitalen Zwillings von der fertigenden Industrie aufgestellt, damit diese Ihre weltweite Spitzenposition verteidigen können. Um diese Weiterentwicklung zu stärken, stellt das Innovationsforum eine nachhaltige Plattform für Spezialisten aus Wirtschaft und Wissenschaft zur Verfügung, damit offene Fragen dort ausgetauscht werden können. Dabei gehören zu den Kernthemen, Digital Collaboration, Open Innovation, LifeCycle Management, Geschäftsmodelle und auch Schulungen im Bereich der Anwendung. Das Ziel, welches mit dieser Plattform verfolgt wird, ist, dass kleine und mittelständische Unternehmen miteinander vernetzt werden, um einen nachhaltig wirkenden Innovationsverbund aufzubauen.^[13]

2.2 Aufbau und Funktionsweise

Der digitale Zwilling besteht aus verschiedenen Komponenten. Die wichtigsten Komponenten des digitalen Zwillings sind die virtuellen Sensoren. Diese erlauben am digitalen Zwilling Daten zu erfassen. Hierbei kann bereits eine Effizienzsteigerung beobachtet werden. Die virtuellen Sensoren erlauben es, Daten zu erfassen, die am realen Modell nicht oder nur sehr kostenintensiv messbar wären. Dies wird durch die modellhafte Abbildung des digitalen Zwillings in seiner Umgebung ermöglicht. Dabei wird das Modell mit Informationen versorgt, welche mithilfe der Sensoren aus der realen Umwelt erhoben werden.^[14] Die Visualisierung des digitalen Zwillings kann auf verschiedene Weisen dargestellt werden. Dabei ist es beispielsweise möglich, mithilfe einer Augmented Reality-Umgebung und der Darstellung von Asset-Informationen auf einer 3D-Brille den digitalen Zwilling darzustellen. Weiterhin können aber auch einfache Listen über die Prozesswerte erstellt werden. Vorteilhaft kann auch der Einsatz von Tablets sein, um eine bildhafte Darstellungsform für Wartungs- und Instandhaltungspersonal zu schaffen.^[15]

Der digitale Zwilling lässt Realität und Virtualität miteinander verschmelzen und schafft damit Transparenz innerhalb komplexer Engineering-Vorgänge und ist ein Leistungsträger bei der Entwicklung von cyberphysischen Systemen (CPS).^[16] Unter cyberphysischen Systemen ist die Vernetzung von Fertigungsteilnehmern zu verstehen, welche eigenständig Entscheidungen treffen können. Diese Entscheidungen können auf Basis der Informationen von digitalen Zwillingen getroffen werden. Die Fertigungsteilnehmer sind zur Interaktion vernetzt und haben somit die Fähigkeit miteinander zu kommunizieren und sich gegenseitig Anweisungen zu geben.^[17] Dabei ist es möglich nicht nur einzelne Bestandteile mit einem digitalen Zwilling abzubilden. Beispielsweise wäre es mit einer richtigen Integration mehrerer Simulationsmodelle auch möglich, eine ganze Produktionslinie abzubilden. Dabei spiegelt das Abbild bestimmte Eigenschaften, Funktionen und Prozessparameter wider und simuliert diese.^[18]

Dadurch können digitale Zwillinge bereits lange vor einem ersten Produktionsschritt feststellen, ob eine Produktionsanlage eines Unternehmens ein neu entwickeltes Produkt fertigen kann. Die Produktionsanlage kann dabei vorab virtuell in Betrieb genommen werden. Dabei ist es unbedeutend ob es eine neue oder abgeänderte Produktionsanlage ist. Ausfallzeiten und auch Rekonfigurationen sollen dabei möglichst geringgehalten werden. Der digitale Zwilling kann anschließend die gesamte Prozesskette begleiten und unterstützen. Dabei unterstützt er die Einhaltung von Qualitätsparametern oder die Planung und Einhaltung von Fertigungssequenzen.^[19]

2.3 Anforderung für die Implementierung

Es gibt für die Implementierung eines digitalen Zwillings einige Anforderung, die vor der Inbetriebnahme beachtet werden sollten. Um eine solide Basis für einen digitalen Zwilling in der Prozessindustrie aufzubauen, ist es zunächst einmal von Bedeutung, dass für das Informationsmodell, welches für den digitalen Zwilling benötigt wird, Informationen über den gesamten Lebenszyklus vorhanden sind. Als Beispiel wird hier eine mögliche Implementierung eines digitalen Zwillings in einer Betriebsanlage unterstellt. Aus Sicht der Wirtschaftlichkeit sollten Planungsmodelle, welche für eine Anlage erstellt werden, nach Vollendung nicht weggeworfen werden. Vielmehr sollte ein solches Planungsmodell weiterverwendet werden. Informationen, welche aus einem solchen Planungsmodell hervorgehen, werden auch Assets genannt. Ein Asset, wie auch die Übersetzung sagt, ist ein Vermögenswert, der einen bestimmten Wert für einen Betreiber darstellt. Physikalische Assets, wie auch Anlageninformationsmodelle sollten gepflegt werden, damit sie nicht an Wert verlieren.

Ein weiterer Gesichtspunkt ist die Definition des Lebenszyklus. Dieser ist zunächst einmal nicht klar definiert, da eine Anlage verschiedene Lebenszyklen aufweist. Dazu gehören der Lebenszyklus des Prozesses, der Lebenszyklus der Anlagestruktur und der Lebenszyklus des Assets der Anlage. Dabei sind die drei Zyklen unabhängig zu betrachten. Nämlich kann ein Prozess auf einer ausführenden Anlage verändert werden, ohne eine Veränderung der Anlagestruktur zu verursachen. Weiterhin sind auch die Assets unabhängig von der Anlagestruktur. Vielmehr stellt die Anlagestruktur die Anforderung an eine Rolle, die ein Asset innerhalb einer Struktur erfüllen muss. Wird beispielsweise ein Teil der Anlage aufgrund von Defekt ausgetauscht, hat dieses neue Teil, welches der Anlage zugeführt wird, ein eigenes Asset mit einem eigenen Lebenszyklus. Hierbei wird wiederum die Anlagestruktur nicht beeinflusst.

[...]

^[1] Vgl. (Andreas Schüler, 2019)

^[2] Vgl. (R.Stark, 2017)

^[3] Vgl. (Andreas Schüler, 2019)

^[4] Vgl. (M Shafto)

^[5] Vgl. (Klostermeier R., 2019, S. 255)

^[6] Vgl. (R.Stark, 2017)

^[7] (R.Stark, 2017)

^[8] Vgl. (Institut, 2018)

^[9] Vgl. (Institut F. , 2019)

^[10] Vgl. (Pfeiffer, 2018)

^[11] (Pfeiffer, 2018)

^[12] Vgl. (Pfeiffer, 2018)

^[13] Vgl. (Bundesministerium, 2018)

^[14] Vgl. (Klostermeier R., 2019, S. 264)

^[15] Vgl. (Andreas Schüler, 2019)

^[16] Vgl. (R.Stark, 2017)

^[17] Vgl. (Amberg, 2015)

^[18] Vgl. (Bundesministerium, 2018)

^[19] Vgl. (R.Stark, 2017)