Industrie 4.0 12. Sep 2022 Von Martin Ciupek

Digitale Zwillinge nehmen Gestalt an

Virtuelle Modelle werden immer besser. Zum Durchbruch in der Praxis fehlen aber noch Standards für den Datenaustausch. Die Industrie ist hier bereits auf dem richtigen Weg.

Digitale Zwillinge werden in vielen Branchen eingesetzt. Das Bild zeigt beispielhaft ein Drahtgestell-Rendering einer Triebwerk-Testzelle für den Flugzeugbau.
Foto: PantherMedia / chesky_w

Kaum eine Technikmesse kommt inzwischen ohne ihn aus: „Der digitale Zwilling ist aktuell in aller Munde“, bestätigt Michael Weyrich, Vorsitzender der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA). Der Direktor des Instituts für Automatisierungstechnik und Softwaresysteme an der Universität Stuttgart sagt aber auch: „Für uns Forscher ist das aber etwas, was wir schon lange kennen.“ Für ihn haben die digitalen Zwillinge für die Industrie im Hypezyklus bereits den Punkt der übersteigerten Erwartungen überschritten. „Was jetzt noch fehlt ist der Transfer in die Praxis, um damit tatsächlichen Mehrwert zu schaffen“, so der Experte. Strukturen, die solche Mehrwerte schaffen, und Systeme, mit denen sich so etwas abbilden lässt, gebe es bereits. „Aber vieles wurde noch nicht zu Ende gedacht“, verdeutlicht Weyrich. Deshalb werde auch noch weiter an digitalen Zwillingen geforscht.

Einsatz für die Gesundheit: In der Medizin gibt es viele Ansätze, digitale Zwillinge einzusetzen. Sie reichen von Menschmodellen zur OP-Vorbereitung, über Modelle zum Verständnis biologischer Prozesse bis hin zur Medikamentenentwicklung (siehe S. 23). In einem internationalen Forschungsprojekt wurde an der RWTH Aachen beispielsweise ein Computermodell für Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems aufgebaut. Untersucht wurden dabei u. a. die Verwendung der Modelle im Zulassungsprozess medizintechnischer Geräte sowie deren Anwendung in der computergestützten und patientenindividualisierten Medizin.
Foto: panthermedia.net/lightsource

Was macht einen digitalen Zwilling aus?

Für digitale Zwillinge gibt es bisher keine einheitliche Definition/Beschreibung. Die Gesellschaft für Informatik definiert digitale Zwillinge beispielsweise als „digitale Repräsentanzen von Dingen aus der realen Welt“, die sowohl physische Objekte als auch nicht-physische Dinge wie zum Beispiel Dienste beschreibt. Doch in der Praxis wird der Begriff aktuell als Synonym für verschiedene digitale Produktmodelle genutzt.

Frank Schnicke vom Fraunhofer-Institut für Experimentelles Software-Engineering (IESE) empfiehlt daher bei Gesprächen vorab zu klären, was die Beteiligten unter einem digitalen Zwilling verstehen. Eine gute Differenzierung bietet für ihn die Unterscheidung zwischen dem digitalen Modell, dem digitalen Schatten und dem digitalen Zwilling. „Das digitale Modell, beispielsweise ein CAD-Modell, beschreibt zwar die Realität, ist aber nicht damit verbunden. Der digitale Schatten bildet dagegen die Realität digital ab und stellt damit einseitig die Verbindung zwischen den beiden Welten her. Die Realität wirft im übertragenen Sinne einen Schatten in die digitale Welt. Wenn ich den Zyklus noch schließe und auch aus dem digitalen Modell die Realität beeinflussen kann, dann habe ich einen digitalen Zwilling. Das heißt, wenn ich Konfigurationen am virtuellen Modell ändere, verändert sich auch das reale Asset.“

Helfer für die Stadtlogistik: Wer kennt sie nicht: Lieferdienste, die an Engstellen halten, um ihr Tagespensum an Auslieferungen zu erreichen. Mit digitalen Zwillingen und künstlicher Intelligenz könnte das bald besser organisiert werden. Ein entsprechender Zwilling für die Citylogistik wird aktuell im KI-Innovationsprojekt Bauhaus.MobilityLab für die Stadt Erfurt aufgebaut. Dafür werden unter anderem Daten zum Verkehrsnetz, dem Verkehrsaufkommen, der Luftqualität und Vorhersagen zum Bestellaufkommen in Abhängigkeit von Haushaltsgröße gesammelt und analysiert. Auch Daten realer Lieferketten mitsamt der zugehörigen Prozesse und Kapazitäten sollen in das Modell einfließen. Das Ziel: Veränderungen im urbanen Logistiksystem vorab simulieren, um ihre Wirkung auf den Gesamtprozess zu bewerten. Im kommenden Jahr soll das Forschungsprojekt als urbanes KI-Reallabor in den Regelbetrieb übergehen.
Foto: Bauhaus.MobilityLab

Welchen Bezug hat der digitale Zwilling zum digitalen Engineering?

Rene Fischer vom Fraunhofer IESE sagt dazu: „Der digitale Zwilling ist ein wesentliches Werkzeug für das digitale Engineering.“ Für digitales Engineering brauche man jedoch nicht zwingend einen digitalen Zwilling, aber er vereinfache das Engineering ungemein. Fischer: „Wenn ich einen digitalen Zwilling von einer Fabrik habe, kann ich im digitalen Engineering schauen, was passiert, wenn ich einen neuen Produkttyp einführe. Im digitalen Zwilling habe ich dann alle Informationen konsolidiert. Statt vieler Modelle habe ich damit nur einen interoperablen Zwilling. Wenn ich darüber die richtigen Stellschrauben für den Prozess gefunden habe, kann ich die Änderungen auch direkt in die Realität übertragen.“

In welchen Branchen werden bisher die meisten digitalen Zwillinge eingesetzt?

Rene Fischer sagt dazu: „Die stärkste Präsenz hat das Ganze aktuell in der Produktion. Das hängt auch mit den zahlreichen Aktivitäten dort bei der Standardisierung und Normung zusammen. Mir ist aus keiner anderen Domäne auch nur ansatzweise etwas wie die Verwaltungsschale bekannt.“

Flug zum virtuellen WeltraumhabitatDie Raumfahrt ist seit jeher Vorreiter in der digitalen Produktentwicklung. Auch Methoden wie das Systems Engineering haben hier ihr Ursprung. Künftig sollen aber nicht nur digitale Zwillinge von Trägerraketen, Satelliten oder Raumflugzeugen wie dem Dream Chaser (re. im Bild) genutzt werden, sondern auch ganze Weltraumhabitate damit entwickelt werden. Das Raumfahrtunternehmen Sierra Space hat z. B. das Habitat „Large Integrated Flexible Environment“ (LIFE) konzipiert. Die modulare, kommerzielle Wohn- und Wissenschaftsplattform wird auf einer Digitalplattform von Siemens mit Zwillingstechnologie aufgebaut.
Foto: Sierra Space

Traditionell sind digitale Zwillinge dabei in der Luft- und Raumfahrt stark vertreten, wo Methoden des digitalen Engineerings ihren Ursprung haben. Wie auch in anderen Branchen mit hohen Produktkosten, sind hier die vorherige Simulation und kostensparende Hardware-in-the-Loop-Tests unerlässlich. Auch in der Automobilbranche werden digitale Zwillinge deshalb stark genutzt. Beispielsweise lässt sich hier mit virtuellen Prüfständen viel Geld sparen.

Welche Branchen sind grundsätzlich für die Nutzung digitaler Zwillinge prädestiniert?

Überall, wo die Flexibilität oder Individualisierung wichtig sind, kann sich der Einsatz lohnen. Anwendungen gibt es daher beispielsweise auch in der Medizin, der Baubranche und der Landtechnik.

Der größte Bereich außerhalb der Produktion ist dabei der Gesundheitsbereich. „Da geht es unter anderem um die Herstellung von Impfstoffen und Pharmazeutika, beispielsweise für die individualisierte Krebstherapie“, erklärt Fischer. Eine solche Therapie koste schnell 300 000 € pro Patient. Er sagt: „Die Idee ist, diese nun mit den Methoden der Industrie herzustellen und manuelle Abläufe abzulösen. Man zertifiziert Maschinen dafür und nutzt den digitalen Zwilling für das Produkt und die Qualitätssicherung.“

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