Volume 115, Issue s1 - Special Issue: Digitaler Zwilling

Kurzfassung Unternehmen können die operative Exzellenz in der Produktion durch datengetriebene Geschäftsprozesse steigern, bei denen der Digitale Zwilling im Zentrum steht. Sein Einsatz verspricht viele Vorteile durch die Option, Anlagen und Maschinenparks in Echtzeit zu überwachen, aus Betriebsdaten Rückschlüsse für Prozess- oder Produktverbesserungen zu ziehen und Mehrwertdienste für Kunden zu realisieren. Dieser Beitrag beschreibt wichtige Bausteine für entsprechende IoT-Lösungen.

Kurzfassung Der Digital Twin soll Unternehmen über Closed-Loop-Zugriffe wertvolle Einblicke in allen Phasen des Lifecycles geben. Dadurch lassen sich in sämtlichen Bereichen, von der Entwicklung bis zur Wartung, erhebliche Einsparungen erzielen und neue Geschäftsmodelle etablieren. In der Praxis scheitern jedoch viele entsprechende Initiativen, weil keine Aktualisierungen von Metadatenmodellen erfolgen. Die Ursache dafür ist häufig eine schlecht integrierte PLM-Software. Gefragt sind deshalb Lösungen, die komplett selbst anpassbar sind und einen durchgehenden Blick auf sämtliche Daten liefern.

Kurzfassung Planung, Steuerung und Analyse einer wandelbaren und flexiblen Produktion in Echtzeit – ist das nicht der Traum eines jeden Produktionsverantwortlichen? Der ASCon Digital Twin ermöglicht dies durch ein übergreifendes Informationsmodell und eine hoch performante Ausführungs-Architektur. Damit werden alle an der Produktion beteiligten Informationen aus PLM, ERP/MES und Shopfloor zu einem durchgängigen Informationsmanagement verknüpft, ohne vorab die einzelnen semantischen und ontologischen Beziehungen festlegen zu müssen. Damit wird der Produktionsprozess übergreifend, vollständig und jederzeit anpassbar abgebildet und gesteuert, die modellierten Wertschöpfungsketten werden direkt ausgeführt, auch Betriebsmittel können ohne Änderungen in der Steuerungslogik ausgetauscht werden.

Kurzfassung Richtig angepackt, ist der Digitale Zwilling bereits heute Realität – er verändert und optimiert den gesamten Produktentstehungsprozess und unterstützt Unternehmen aller Branchen und Größen bei der Beherrschung der dramatisch zunehmenden Komplexität und Volatilität. Als möglichst realistische Abbildung von Produkt, Produktion und Performance ist er auch eine entscheidende Voraussetzung, um Digitalisierung im Unternehmen erfolgreich voranzutreiben und neue Geschäftsfelder zu erschließen.

The Digital Thread gets established by spanning the Digital Twin across the enterprise and collect real time data from smart products along the lifecycle. This new level of insights and predictions, drive productivity improvements and the opportunities to introduce new business models. Engineering benefits from the real time information on product performance and machine component to design even better machines for improved customer satisfaction. The Digital Twin – a critical foundation of an Industry 4.0 digital transformation journey.

Kurzfassung Die Inbetriebnahme vor Ort ist stets ein zentraler Punkt bei der Entwicklung von Maschinen und Anlagen. Mit WinMOD-Systemplattform von Mewes & Partner GmbH werden Bedingungen geschaffen, Maschinen und Anlagen so zu virtualisieren, dass sie mit realen Automatisierungssystemen in Betrieb genommen werden können. Die gesamte Technik und Technologie lassen sich somit auf einer Plattform abbilden.

Kurzfassung Die Digitalisierung in der Automobilindustrie macht Cyber Security bei Fahrzeug-Software-Updates zum Fokusthema – internationale Regulierungsgremien arbeiten dazu gerade Sicherheitsrichtlinien aus. Für Fahrzeughersteller bedeutet das, dass sie schnellstmöglich Prozesse und Systeme gemäß den neuen Cyber-Security-Vorgaben etablieren müssen. „Digital Twin Computing“ kann hier wesentlich unterstützen. Die neue Initiative aus Japan ist mehr als das, was gemeinhin unter einem Digitalen Zwilling verstanden wird.

Kurzfassung In den letzten Jahren steigt der Bedarf an die Digitalisierung und den Einsatz von Simulationssystemen im Maschinen- und Anlagenbau rasant. Insbesondere die virtuelle Inbetriebnahme (VIBN) wird verstärkt in Unternehmen etabliert, um die Realisierung von komplexen und flexiblen Produktionseinrichtungen abzusichern. Durch vorgezogene Tests an digitalen Modellen wird die Qualität der Steuerungssoftware verbessert sowie der Start der Produktion und der 100 % Produktionsausstoß beschleunigt. Bei führenden Automatisierungsherstellern und Betreibern gehört inzwischen nicht nur die VIBN zum festen Bestandteil des Engineering-Prozesses. Zunehmend werden Digitale Zwillinge eingesetzt, die neben der VIBN alle Phasen der Automatisierungslösung begleiten. Dieses bildet auch die Basis für neue Geschäftsprozesse und -modelle, die im Sinne der Initiative Industrie 4.0 die Innovationskraft Deutscher Unternehmen beschleunigen soll.

Kurzfassung Für Produktion und Fertigung bedeutet der Einsatz von Digitalen Zwillingen einen deutlichen Schub in Richtung Automation. Der folgende Beitrag von Tebis geht der Frage nach, was fertigungsnahe Unternehmen rund um das Arbeiten mit dem Digitalen Zwilling beachten sollten und welche konkreten Vorteile sie sich davon erwarten können.

Kurzfassung Der Digital Twin ist auf der Agenda der produzierenden Industrieunternehmen längst vorhanden. Dennoch stecken Implementierungsprojekte dazu immer noch in den Anfängen. Dieser Beitrag diskutiert den Zusammenhang zwischen PLM und dem Digital Twin als zentrale Informationsquelle im Unternehmen.

Kurzfassung Der Einsatz von Digitalen Zwillingen und Digitalen Informationszwillingen wird seit einiger Zeit in einem durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Forschungsprojekt unter Beteiligung des Fraunhofer Institutes für Fabrikbetrieb und -automatisierung erforscht. Partner im Projekt ist der PLM-Spezialist PROCAD GmbH & Co KG aus Karlsruhe, mit dessen Software PRO.FILE der digitale Informationszwilling abgebildet wird.

Kurzfassung Der Digitale Zwilling ist einer der am häufigsten benutzten Begriffe im Umfeld Industrie 4.0 und digitaler Transformation. Fragt man jedoch nach, was unter dem Digitalen Zwilling eigentlich zu verstehen ist, erhält man unterschiedliche Antworten. Der Bezug auf das 3-D-Modell des Produkts ist dabei das vorherrschende Beispiel, darauf aufbauend dann Anwendungen der virtuellen oder erweiterten Realität für Instandhaltung und Service. Dabei liegen, wie bei einem Eisberg, 90 Prozent der Daten und Prozesse, die einen Digitalen Zwilling repräsentieren, häufig nicht im Blick der Beteiligten. Wie sieht also eine ganzheitliche Perspektive über Wertschöpfungsstufen und Systemgrenzen hinweg aus?

Kurzfassung Digital Twins bieten die Möglichkeit, das Verhalten von physischen Assets – seien es Schiffe, Autos oder Fabrikanlagen – zu simulieren, sie im laufenden Betrieb zu überwachen und durch die Rückkopplung der Betriebsdaten kontinuierlich zu verbessern. Die Daten und Modelle aus der Entwicklung bilden den Kontext, in dem die Betriebsdaten korrekt interpretiert werden können. Ihre Twin-gerechte Aufbereitung und Bereitstellung ist deshalb eine wesentliche Voraussetzung für den Einsatz von Digital-Twin-Anwendungen.

Kurzfassung Digitale Zwillinge verbinden und erweitern die bisherigen digitalen Modelle in der Entwicklung mit den neuartigen Datenströmen des operativen Betriebs von Produkten, Maschinen und Dienstleistungen. Digitale Zwillinge werden die Produktentstehung nachhaltig verändern und neue Geschäfts- und Wertschöpfungsmodelle ermöglichen.

Kurzfassung Das Konzept des Digital Twins nutzt Modelle über die Entwicklung und Absicherung hinaus auch für Betriebsoptimierungen. Modellbasiertes Systems Engineering (MBSE) ermöglicht eine durchgängige Systemmodellierung mit offenen Schnittstellen für die Systementwicklung. Dieser Beitrag stellt an einem beispielhaften IoT-Pumpensystem Schnittstellenerweiterungen vor, um MBSE für eine durchgängige Modellierung, von der Entwicklung über den Betrieb bis End-of-Life, nutzen zu können. Die gewonnenen Informationen können zurückgeführt und für zukünftige Produktneuentwicklungen genutzt werden.

Kurzfassung Neben der gezielten Nutzung von Daten und Informationen aus dem gesamten Produktlebenszyklus stellt die Integration des Nutzers und die Absicherung der Nutzer-Produkt-Interaktion im Digital Engineering eine wesentliche Herausforderung dar. Motiviert hierdurch beleuchtet der vorliegende Beitrag wesentliche Potentiale digitaler Zwillinge im Kontext des Digital Engineerings und stellt das Konzept des Digitalen Zwillingspaares als Möglichkeit der digitalen Einbindung des Nutzers in den Produktentstehungsprozess vor.

Kurzfassung Innovative adaptive modulare Bauweisen von Betonfertigteilen aus Hochleistungswerkstoffen mit Fließfertigungsverfahren erfordern eine Echtzeit-Vernetzung von Produkten, Prozessen und Systemen auf der Basis konsistenter Daten. Ausgehend von den Erkenntnissen im Bereich Maschinenbau und den Forschungsaktivitäten im Rahmen von Industrie 4.0 reflektiert dieser Beitrag durchgängige und anpassungsfähige Informationsflüsse und Interaktionsmodelle für eine industrialisierte, fehlertolerante und schnelle Produktion von Modulen aus vorgefertigten frei formbaren Hochleistungsbetonbauteilen.

Kurzfassung Ein Digitaler Zwilling eines Produktionssystems kann vielfältig zur Planung, Steuerung und Optimierung genutzt werden. Bislang sind seine Erstellung und Pflege jedoch noch sehr aufwändig, weshalb häufig nicht der reale Zustand der Produktion abgebildet ist bzw. schnell veraltet und der Digitale Zwilling somit nicht mehr effektiv genutzt werden kann. Dieser Beitrag präsentiert ein Konzept für Digitale Zwillinge von Produktionssystemen, die sich selbstständig an die reale Produktion anpassen. Der Digitale Zwilling basiert auf einer Materialflusssimulation, die direkt an die Produktionsdatenbank angeschlossen ist und durch lernende Algorithmen adaptiert wird.

Kurzfassung Unternehmen sind in einem zunehmend dynamischen Marktumfeld mit kaum vorhersehbaren Veränderungen konfrontiert. Aus diesem Grund spielt die Reaktionszeit auf neue Randbedingungen eine entscheidende Rolle für die Wettbewerbsfähigkeit. Bei Anpassungen des Produktionssystems wird ein Großteil der Zeit für die Datenbeschaffung und -aufbereitung aufgewendet. In diesem Kontext kann Building Information Modeling als Digitaler Zwilling der Fabrik genutzt werden, um die Reaktionszeit zu verkürzen.

Kurzfassung Internationale Technologiekonzerne entwickeln seit einger Zeit ihre Produkte und technischen Anlagen auf Basis des Digitalen Zwillings (DZ) entlang des Produktlebenszyklus. Die virtuelle Betrachtung des Materialflusses und der Auftragsabwicklung als Vernetzung der Anlagen im durchgängigen Kundenauftragsprozess erfolgt hingegen bislang nicht. In diesem Beitrag wird ein Konzept für einen digitalen Steuerungs-Zwilling (DSZ) entworfen, der die Auftragsabwicklung mit dem dazugehörigen Produktions- und Materialfluss aller Objekte eines Unternehmens nach Art, Menge, Ort und Zeit dynamisch steuert, harmonisiert und optimiert.

Kurzfassung Die Anwendungspotenziale für Digitale Zwillinge smarter Produkte in verfügbarkeitsorientierten Geschäftsmodellen erstrecken sich über den gesamten Produktlebenszyklus und erweiterte Wertschöpfungsnetzwerke. Das in diesem Beitrag vorgestellte Framework zur Konzeption digitaler Produktzwillinge wurde im Kontext des BMBF-Forschungsprojekts InnoServPro für Anwendungsfälle der Landmaschinenindustrie angewendet und liefert konkrete Beispiele für wertschöpfungsfördernde digitale Produktzwillinge.

Kurzfassung Der wirtschaftliche Einsatz von Werkzeugmaschinen ist maßgeblich abhängig von dem erreichbaren Zeitspanvolumen sowie den Stillstandszeiten aufgrund von Wartungsmaßnahmen. Es ist folglich der stete Wunsch von produzierenden Unternehmen, die Belegungszeit und die Anzahl notwendiger Instandhaltungsmaßnahmen zu reduzieren. Der Digitale Zwilling bietet durch einen permanenten Datenaustausch zwischen der realen Werkzeugmaschine und deren virtueller Repräsentation die Möglichkeit, Bearbeitungsprozesse unter Einhaltung der statischen und dynamischen Lastgrenzen zu optimieren und die Restlebensdauer von Maschinenkomponenten zu prognostizieren.

Kurzfassung Steigende Abhängigkeiten in heutigen Wertschöpfungsketten und innovative Geschäftsmodelle lassen die organisatorische Abgrenzung produktbezogener Aufgaben und Leistungen zusehends verschwimmen. Dieser Beitrag versucht systematisch aufzuzeigen, wie Digitale Zwillinge im Kontext unternehmensübergreifender Geschäftsmodelle und Anwendungen gestaltet werden können. Wir unterscheiden hierfür fünf verschiedene Ausprägungen von Digitalen Zwilling und beleuchten Ansätze für ihre Umsetzung.

Kurzfassung Der neue Begriff „Cyber-Physische Zwillinge“ beschreibt die gleichzeitige Entwicklung der Komponenten, Cyber Zwilling (virtuell) und Physischer Zwilling (real), sowie ihrer bi-direktionalen Wechselwirkung. Cyber-Physische Zwillinge unterscheiden sich vom Digitalen Zwilling durch das Angebot von Services zum Beispiel Handlungsempfehlungen im Cyber Zwilling zum Verhalten des Physischen Zwillings. Diese neue Konzeption wird insbesondere mit der Entwicklung und Anwendung sensorintegrierender Maschinenelemente vorgestellt.

Kurzfassung Dieser Beitrag zeigt die Potenziale des Digitalen Zwillings in Wertschöpfungsnetzwerken auf. Damit einher geht das Konzept des kollaborativen Digitalen Zwillings Co-TWIN, das im gleichnamigen Forschungsprojekt die Technologie des Digitalen Zwillings nutzt, um die Zusammenarbeit innerhalb von Wertschöpfungsnetzwerken im Maschinen- und Anlagenbau zu fördern. Hierbei wird Co-TWIN in Erweiterung zu den meisten bisherigen Einsatzszenarien im gesamten Lebenszyklus der Maschinen zum Einsatz kommen.

Kurzfassung Obwohl der Digitale Zwilling ein Schlüsselkonzept des Industrial Internet of Things ist, haben viele Unternehmen davon noch keinen Gebrauch gemacht. Gründe hierfür sind das mangelnde Bewusstsein für Einsatzmöglichkeiten sowie Unklarheit über die Umsetzung. Um eine notwendige Basis für die Umsetzung zu schaffen, wurden am Fraunhofer IPT im Rahmen des International Center for Networked and Adaptive Production ein Konzeptbild und eine Struktur entwickelt, welche das Verständnis fördern sowie die wichtigsten Komponenten und Schritte, die zur Schaffung eines Digitalen Zwillings erforderlich sind, skizzieren

Kurzfassung Während digitale Modelle in der Produktentwicklung bereits etabliert sind, werden sie in späteren Produktlebenshasen weniger verwendet. Eine Ergänzung um Systemmodelle sowie Ist-Daten der fertigen Produkte bietet die Möglichkeit, auch nach der Produktion Informationen in Form von Digitalen Zwillingen zur Verfügung zu stellen. Mit weiteren Digitalen Zwillingen derselben Produktfamilie können sie in einem durchgängigen Datenmodell auch für die Entwicklung neuer Produktgenerationen verwendet werden.

Kurzfassung Die Digitalisierung verspricht Unternehmen, die Wandlungsfähigkeit und Produktivität bestehender Fertigungssysteme zu fördern. Durch die Komplexität cyber-physischer Produktionssysteme liegen Produktionsdaten jedoch heterogen, unstrukturiert und isoliert vor. Die für eine konkrete Aufgabe oder Fragestellung benötigten Daten werden durch Digitale Schatten zielgerichtet verknüpft, abstrahiert und aggregiert, sodass eine wissensbasierte und echtzeitfähige Entscheidungsfindung in der Produktion möglich wird.

Kurzfassung Schnell verfügbare und hochwertige Daten sind ein Schlüsselelement für digitale Abbilder von Objekten. Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA hat deshalb Verfahren und Softwaretechnologien entwickelt, die das Modellieren und Erkennen von beliebigen Objekten in 3D in sehr kurzer Zeit und die Analyse ihrer Informationen wie Stammdaten, Farben und Struktur ermöglichen. Jetzt bringt das Institut die Technologien in das große KI-Forschungsprojekt „Knowledge4Retail“ ein.

Kurzfassung Der Erstellung eines Digital Masters im Zuge einer Produktentwicklung liegen viele Entscheidungen zugrunde. In Hinblick auf die Erstellung eines Digital Twins, welcher als Abbild einer realen Produktinstanz angesehen wird, und in weiterer Folge auf dessen Anwendung spielen diese Entscheidungen eine essentielle Rolle. Der daraus resultierende Einfluss eines Entwicklers auf den Digital Master und Digital Twin wird in diesem Beitrag aufgegriffen und am Beispiel einer Fahrzeugbatterie erläutert.

Kurzfassung Der Digitale Zwilling gewinnt in der Produktentwicklung zunehmend an Bedeutung. Während der Fokus bislang auf der digitalen Abbildung von Eigenschaften technischer Produkte oder Prozesse liegt, greift diese Interpretation für solche Systeme zu kurz, die mit dem Menschen interagieren. Im vorliegenden Beitrag werden anhand ausgewählter Forschungsprojekte Potentiale der Kopplung menschbezogener Modelle mit Digitalen Zwillingen aufgezeigt und aktuelle Herausforderungen diskutiert.

Kurzfassung Der Digitale Zwilling wird bereits vielseitig in der Industrie eingesetzt, jedoch wird dessen Mehrwert oftmals nicht ausgeschöpft. Dieser Beitrag behandelt die im Rahmen verschiedener Forschungsprojekte und Industriekooperationen gesammelten Erfahrungen und Erkenntnisse zum Digitalen Zwilling. Dabei wird auf die Herausforderungen bezüglich Schnittstellen, Datenhaltung, Nutzerakzeptanz eingegangen und Handlungsempfehlungen gegeben, um den Mehrwert des Digitalen Zwillings besser nutzbar zu machen.

Kurzfassung Der zunehmende globale Wettbewerb wandelt durch die deutlich größere Auswahl viele Verkäufermärkte in Käufermärkte. Die Digitalisierung verstärkt diese Entwicklung, da Käufer heute jederzeit und von fast überall aus Angebote einsehen und Geschäfte abschließen können. Zudem verlangen immer mehr Käufer Dienstleistungen, die auf ihr Businessmodell zugeschnitten sind und die den speziellen Anforderungen einer Maschine oder Anlage gerecht werden. Der 3DEXPERIENCE Twin von Dassault Systèmes schließt die Lücke zwischen Entwicklung, virtueller Inbetriebnahme, Fertigung und Service.