Digital Twin: Wie er das Internet der Dinge verändert und nutzt

Der Digital Twin hat sich längst in der Industrie 4.0 etabliert. Ein digitaler Zwilling ermöglicht es schließlich, reale Objekte auf digitale Weise darzustellen. Dadurch können Prozesse optimiert und Produktionsprozesse oder Prozessschritte miteinander verbunden werden. Am Ende kann man sich über das Minimieren von Ausfallraten und verkürzte Entwicklungszyklen freuen.

Und natürlich kann auch die Herstellbarkeit sichergestellt werden. Der Vorteil liegt in den Simulationen, die inzwischen extrem genau sind.  So zu sagen zum Greifen echt. Das kann zum Beispiel auch dazu dienen, eine virtuelle Probefahrt in einem Auto zu unternehmen. Über Stock und Stein dank Simulation. Und damit eben auch völlig gefahrlos.

Möglich sind diese fast exakten Simulationen vor allem durch die ansteigende Anzahl an IoT-Sensoren. Nehmen wir die Smart Homes, Connected Cars oder die Smart Factory. Computer,  Autos, Haushaltsgeräte oder Maschinen …  Alle sind mit Sensoren ausgestattet, die ständig messen, auswerten und Informationen weiterleiten oder austauschen.  Genau diese Daten sorgen dafür, dass IoT-Probleme bei Geräteinteraktionen oder bei der Entwicklung gelöst werden.  Mit einem Digital Twin IoT-Technologie zu simulieren bedeutet deshalb auch, dass IoT-Geräte verfeinert werden können und dabei Kosten gespart werden können.

Digitale Zwillinge – Ein bewährtes Prinzip

Von dem Prinzip der digitalen Darstellung von physischen Objekten profitieren bereits eine ganze Menge Unternehmen und Institutionen. Seit über 30 Jahren bereits sorgen ja CAD-Modelle oder Prozesssimulationen für die genaue Prognose in Entwicklungs- und Produktionsprozessen. Gehen wir zu einem sehr prominenten Beispiel: Die NASA führt schon seit einigen Jahrzehnten sehr umfangreiche Simulationen von Raumfahrzeugen durch. Auch diese führen dazu, dass Unwägbarkeiten minimiert werden und Prozesse entsprechend angepasst werden können. Das spart am Ende Kosten und Mühen.

Ein digitaler Zwilling kann aber eben auch die virtuelle Darstellung eines Produkts bedeuten. Die Vorteile sind vielfältig. So kann der Digital Twin dafür sorgen, dass das  Produktdesign verbessert wird. Durch den Zwilling wird nämlich erst sichtbar, wie sich ein neues Haushaltsgerät in der Handhabung besser verwenden lässt. Vielleicht muss dazu ein Schalter versetzt oder die Form verändert werden. Ebenso bringt der Zwilling an den Tag, wie Maschinen effektiver arbeiten oder eingesetzt werden können. Wie man sich vorstellen kann, ist die digitale Simulation daher zu einem wichtigen Teil  im industriellen Internet der Dinge (IoT) geworden.  

Wie funktioniert der Digital Twin eigentlich?

Ein Digital Twin ist, wie man sich ja bereits denken kann, die digitale Darstellung eines physischen Objekts. Vielleicht auch eines Systems. Der digitale Zwilling muss dazu die Physik des nachzuahmenden Objekts oder Systems  verwenden. Und zwar als mathematisches Modell, das das reale Original simuliert. Der Zwilling ist dabei so konstruiert, dass er Eingaben von Sensoren aufnimmt. Diese Daten erlauben dem Zwilling, das physische Objekt in Echtzeit zu simulieren. Der Zwilling kann während einer Produktentwicklung natürlich auch auf einem Prototyp basieren. In diesem Fall bekommt man eben das  Feedback dazu, wie man das Produkt verbessern kann. Je nachdem kann ein Zwilling auch mit Daten „gefüttert“ werden und selbst als Prototyp dienen, noch ehe das Objekt Gestalt annimmt.

Besonders prickelnd ist es natürlich, wenn das digitale Twin-Modell für spätere Phasen des Produktlebenszyklus wie etwa die Inspektion erhalten bleibt. Schließlich ist ein Digital Twin ja ein Computerprogramm, in dem die Daten zum physischen Objekt oder System aufgenommen und umgesetzt werden. Oder  eben dauerhaft zu gebrauchen sind.

Zum Artikel Digital Twin: Motor 3D

Ein digitaler Zwilling ermöglicht es, reale Objekte auf digitale Weise darzustellen.

Die Bandbreite der Möglichkeiten ist groß

Einem Digital Twin sind also keine Grenzen gesetzt. Weder Umfang, noch Komplexität, noch die gewünschte Lebensdauer des Twins sind begrenzt. Der simulierte Zwilling  kann so kompliziert sein, wie es das Objekt erfordert und so lange aufrechterhalten werden, wie es von Nöten ist. Ob es sich bei dem zu simulierenden Objekt um einen Toaster, eine Eisenpresse oder ein Auto handelt, die Datenmenge zum Erstellen und die Intervalle zur Aktualisierung werden vom Ersteller bestimmt.  So gibt es beispielsweise Hersteller, die Digital Twins zur Erstellung  von Montageabfolgen nutzen. Black & Dekker etwa nutzt das System, um die Produktivität zu steigern.

Auch in der Wartung sind digitale Zwillinge wie bereits angesprochen von großem Nutzen. Sensoren in einem Flugzeugtriebwerk etwa werden zu einer besonders lebenswichtigen Simulation genutzt. Dabei kann ermessen werden, wann einzelne Komponenten repariert oder ersetzt werden sollten.  Ebenso können sie zur Verbesserung der Aerodynamik in der Entwicklung neuer Typen verwendet werden. So nutzt zum Beispiel auch Rolls-Royce den digitalen Twin. Der Hersteller von Triebwerksmotoren verwendet sein Engine Health Management für die Erfassung des Zustands tausender Triebwerke durch integrierte Sensoren und Live-Satellitenzuführungen. Diese Daten nutzt man ebenfalls zur ständigen Berichtigung der Wartungspläne.

Auch im Bereich Augmented Reality ist der Digitale Zwilling zu Hause. Hierbei kann er zum Beispiel auch zu Test- oder Schulungszwecken genutzt werden. Bei AR geht es schließlich um die Integration digitaler Informationen in die Benutzerumgebung in Echtzeit. Hier soll der digitale Zwilling dank Sensordaten überlagerte Bilder in Augmented-Reality-Anwendungen positionieren. Damit kann man ganz wunderbar die Produktwartung austesten. Oder den Außendienst briefen.

Die Vorteile liegen nicht nur auf der virtuellen Hand

Die Vorteile sind ziemlich greifbar. Und vor allem sind sie real. Die Chancen gegenüber Wettbewerbern sind nämlich für jedes Unternehmen höher, wenn die digitalen Zwillinge genutzt werden. Ob man sie einmal implementiert, für fortlaufende Verbesserung verwendet oder neue Produkte gestaltet: Digital Twins sorgen stets für eine Erhöhung der  Effizienz. Sie haben geringere Ausfallraten und verminderte Entwicklungszyklen zur Folge. Anwendbar ist die Technologie außerdem für viele verschiedene Gebiete.

Anwendungen für Digital Twins:

  • Effektive Neuentwicklung von Produkten und Systemen
  • Eine sichere Bewertung der Lebensdauer eines Objektes
  • Umfassende Wartungsplanung und Planung von Inspektionen
  • Früherkennung von Schäden zur vorbeugenden Wartung (Stichwort Predictive Maintenance) und zum Verhindern von Ausfällen
  • Prognosen zu den Folgen zukünftig veränderter Betriebsbedingungen
  • Die Erkennung von verdeckten Mängeln und nachteiligen Anwendungsprozessen

Das sind nur einige Vorteile, die sich aus den Möglichkeiten ableiten lassen. Im Einzelnen können noch spezifischere Chancen ausgemacht und genannt werden. Klar ist jedoch, dass Digital Twins ein zukunftsweisender Trend sind. Das sieht übrigens auch der Marktforschungsriese Gartner so. Gartner bezeichnete die digitalen Zwillinge schon 2017 als einen der bedeutendsten Technologietrends. Die genaue Prognose lautet weiter dazu: „Mit geschätzten 21 Milliarden angeschlossenen Sensoren und Endpunkten bis 2020 werden digitale Zwillinge in naher Zukunft für Milliarden von Dingen existieren.”