Digitale Zwillinge: Intelligente Produkte termingerecht und im budget

Tatsächlich werden Designprobleme, die während der Inbetriebnahme auftreten, oft einfach als Kosten des Geschäfts anerkannt, da neue Designs für den Erfolg vieler entscheidend sind.

In der Maschinenbauindustrie investieren jedoch einige Unternehmen mehr Ressourcen in das Design im Vorfeld, wodurch die Anzahl der Probleme, die in den späteren Phasen der Entwicklung auftreten, drastisch reduziert wird.

Diese Technik ist eine bewährte Praxis in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie, und Überprüfungen mehrerer Designstrategien haben gezeigt, dass selbst eine Erhöhung von 5–10 % im Vorfeld Kostenüberschreitungen um 50–100 % reduzieren kann.

Wohin fließt die zusätzliche Investition? Eine Schlüsseltechnologie, die in der Maschinenbauindustrie an Bedeutung gewinnt, ist die Verwendung von digitalen Zwillingen – eine virtuelle, modellbasierte Darstellung des physischen Systems.

Digitale Zwillinge können dazu beitragen, für die Dynamik des gesamten Systems in einer einheitlichen Modellierungsumgebung Konto zu führen und spezifische Informationen über die Interaktionen zwischen den Komponenten bereitzustellen.

Mit diesen verfügbaren Informationen erhalten Ingenieure ein neues Werkzeug, um Designprobleme zu erkennen, insbesondere wenn ihre Produkte neue, ungetestete Designs beinhalten.

Bei der Arbeit an einem neuen Produkt in der Konzeptphase können digitale Zwillinge eine große Rolle dabei spielen, den Ingenieuren neue Fähigkeiten im Umgang mit Designs zu geben.

Um einen reibungslosen Inbetriebnahmeprozess zu gewährleisten, kann ein Digital-Twin-Modell (rechts) zum Testen des SPS-Codes (links) verwendet werden, ein neuer Prozess, der mit gängiger Automatisierung Software verfügbar wird.

Da digitale Zwillinge systemweite Modelle sind, die schnell Simulationsergebnisse liefern, können Ingenieure mühelos Was-wäre-wenn-Szenarien testen und Kompromisse erkunden, indem sie einfach die Designparameter ändern und die Ergebnisse innerhalb von Minuten sehen.

Wenn beispielsweise ein Ingenieur eine Größenbestimmung für einen motor einer neuen Schnellrücklaufmaschine durchführt, könnte sein digitaler Zwilling ein vollständiges Bild der dynamischen Belastungen liefern, denen der motor ausgesetzt ist, wodurch das Risiko eines Komponentenausfalls nach der Lieferung verringert wird.

Abgesehen von einer sichereren, effektiveren Konzeptentwicklung gibt es eine Vielzahl von Vorteilen, die Ingenieure durch die Verwendung von Digital Twin-Technologie umsetzen können:

• Virtuelle Inbetriebnahme: Lange vor dem ersten Bau können Ingenieure die stationären und transienten Lasten vorhersagen, denen die Aktoren während ihrer Arbeitszyklen ausgesetzt sein werden. Um die richtige Leistung sicherzustellen, können sie ihre SPS-Hardware gegen den digitalen Zwilling mit gängiger Automatisierungssoftware testen oder ihren SPS-Code direkt testen, bevor er auf die Hardware heruntergeladen wird, was zu genau abgestimmten Steuerungssystemen über ein System hinweg führt.
• Online-Diagnose: Der parallele Betrieb des digitalen Zwillings mit der realen Maschine kann wertvolle Einblicke darüber geben, wo ein Problem auftreten könnte, wenn die Reaktion der Maschine mit der Zeit vom Modell abweicht.

• Virtuelle Sensoren: Da die dynamische Reaktion des digitalen Zwillings auf strengen physikalischen Gesetzen beruht, können bestimmte intern berechnete Eigenschaften als Eingaben für das Steuerungssystem ausreichen, um entweder einen fehlerhaften sensor vorübergehend zu ersetzen, bis er repariert werden kann, oder um die Verwendung dieses sensors ganz zu vermeiden.
• Vorausschauende Wartung: Mit einem digitalen Zwilling können Ingenieure die Auswirkungen der dynamischen Belastung auf Lager, Getriebe und motoren beurteilen, die durch Änderungen im Arbeitszyklus verursacht werden. Durch das Durchlaufen eines vorgeschlagenen Arbeitszyklus mit einem digitalen Zwilling können die Belastungen dieser Komponenten und die Auswirkungen auf die Lebensdauer der Komponenten bestimmt werden.
• Verkaufstool: Außerhalb der Entwicklungsabteilung kann der digitale Zwilling im Verkaufsprozess verwendet werden, um Kundenspezifikationen zu qualifizieren und genaue Informationen bereitzustellen, die auf jeden Kunde zugeschnitten sind. Diese Informationen können dazu beitragen, die Leistung und den Betrieb einer Maschine bei unterschiedlichen Nutzlasten oder Betriebsbedingungen zu validieren, ohne dass eine vollständige Beratung durch den Ingenieur erforderlich ist.

Wie jede Branche, die einem harten Wettbewerb ausgesetzt ist, entwickelt sich auch die Welt des Maschinenbaus weiter, um fortschrittliche Maschinen zu schaffen, die zuverlässig funktionieren.

Da neue Produkte die Grenzen der aktuellen Engineering-Praktiken verschieben, sind neue Werkzeuge erforderlich, um Ingenieure zu unterstützen, wenn ihre Intuition und ihre aktuellen Fähigkeiten an ihre Grenzen stoßen.

Ein digitaler Zwilling ist eines dieser neuen Werkzeuge, und mit seiner zunehmenden Verbreitung können wir mit neuen Produkten rechnen, die die Grenzen des Möglichen in der Automatisierung verschieben.