Genau wie das Holodeck sind digitale Zwillinge ein virtuelles Abbild der physischen Welt und ermöglichen es der Industrie, Prozesse anhand von Live-Daten vorherzusagen und zu optimieren. In der Fertigung erstellen digitale Zwillinge ein digitales Echtzeitprofil von Produktionslinien, Anlagen und Prozessen. Hersteller können digitale Zwillinge nutzen, um die Leistung zu analysieren, Ausfälle vorherzusagen und Arbeitsabläufe zu verfeinern, bevor sie physische Änderungen vornehmen.
Aber digitale Zwillinge sind kein neues Phänomen – weder in Filmen noch im wirklichen Leben. Der Boom der Digitalisierung in den letzten Jahren bedeutet jedoch, dass sie viel zugänglicher geworden sind. Der weltweite Markt für digitale Zwillinge soll von 10,1 Milliarden Dollar im Jahr 2023 auf 110,1 Milliarden Dollar im Jahr 2028 anwachsen, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 61,3 Prozent entspricht. Heute stützen sich die Hersteller in vielen Phasen des Produktlebenszyklus zunehmend auf digitale Zwillinge.
Die Fähigkeit, neue Produkte zu entwickeln und auf den Markt zu bringen, ist oft der Schlüssel für das Überleben eines Unternehmens. McKinsey schätzt, dass in den kommenden Jahren rund 30 Billionen US-Dollar an Unternehmenseinnahmen von noch nicht auf dem Markt befindlichen Produkten abhängen werden. Dies wird jedoch immer schwieriger, da die Kunden eine ständige Weiterentwicklung in Bezug auf Qualität, Neuartigkeit und Nachhaltigkeit erwarten. Dies hat dazu geführt, dass immer mehr Unternehmen nach Möglichkeiten suchen, die Kosten zu senken und die Entwicklungszyklen zu beschleunigen.
Untersuchungen von McKinsey haben ergeben, dass der Einsatz digitaler Zwillinge die gesamte Produktentwicklungszeit um 20 bis 50 Prozent verkürzen und die Kosten für die Erstellung physischer Prototypen reduzieren kann. Ein Paradebeispiel dafür ist der Automobilriese Renault.
Ähnlich wie die Star-Trek-Ingenieure, die Enterprise in einer simulierten Umgebung optimieren konnten, erstellt Renault einen vollständigen digitalen 3D-Zwilling seiner Fahrzeuge, der es den Konstrukteuren ermöglicht, Aerodynamik, Ergonomie und Systemkompatibilität zu optimieren, bevor ein einziges physisches Teil hergestellt wird. Sobald die Optimierung abgeschlossen ist, kann der digitale Zwilling als Grundlage für den ersten Prototyp dienen, was die Entwicklungszeit erheblich verkürzt.
Über die Entwicklung hinaus bieten digitale Zwillinge auch greifbare Vorteile für den Produktionsprozess. Durch die Simulation verschiedener Szenarien und die kontinuierliche Integration von Echtzeit-Produktionsdaten ermöglichen sie es den Betreibern, fundierte Entscheidungen darüber zu treffen, wie die Produktion verbessert werden kann.
Ein Beispiel dafür ist das LG Electronics-Werk in Changwon, Korea. Das Werk nutzte einen digitalen Zwilling, um Echtzeit-Produktionsdaten kontinuierlich in sein visuelles Simulationssystem für die Montagelinie zu integrieren. Dadurch konnte die betriebliche Produktivität um 17 Prozent sowie die Produktqualität um 70 Prozent erhöht und der Energieverbrauch um 30 Prozent gesenkt werden.
In ähnlicher Weise hat BMW mit seinem Projekt BMW iFACTORY eine bahnbrechende Strategie des digitalen Zwillings umgesetzt. Das Unternehmen hat seine Produktionsstätten mit Hilfe der 3D-Scantechnologie vollständig erfasst und so digitale Zwillinge geschaffen, die unabhängig von Standort und Zeitzone in Echtzeit virtuell erkundet werden können. Dieser virtuelle Ansatz ermöglicht es den Nutzern, mit Maschinen und Mitarbeitern durch die Produktionslinien zu gehen und gleichzeitig neue Fahrzeuge in bestehende Systeme zu integrieren. Durch die digitale Simulation von Produktionsumgebungen kann BMW schnell Verbesserungsmöglichkeiten in der Produktionskette erkennen und so wertvolle Zeit und Ressourcen sparen.
Durch die kontinuierliche Datenerfassung erhalten die Bediener Einblicke in den Systemzustand in Echtzeit. So können sie potenzielle Probleme, die zu Ausfällen führen könnten, erkennen und Korrekturmaßnahmen ergreifen.
Eine wichtige Anwendung von digitalen Zwillingen im Betrieb ist die virtuelle Inbetriebnahme. Dieser Prozess ermöglicht es Herstellern, Automatisierungssysteme in einer virtuellen Umgebung zu testen und zu optimieren, bevor sie physisch installiert werden. Durch die Simulation realer Bedingungen trägt die virtuelle Inbetriebnahme dazu bei, dass alle Komponenten, wie SPS, Roboter und HMIs, nahtlos zusammenarbeiten. Sie minimiert Ausfallzeiten, reduziert Risiken und stellt sicher, dass die Systeme nach der physischen Installation voll funktionsfähig sind. Dieser proaktive Ansatz beschleunigt nicht nur die Systeminbetriebnahme, sondern verbessert auch die laufende Wartung, da potenzielle Probleme frühzeitig erkannt werden.
Beim COPA-DATA Silver Partner IDM-Systems Zrt. wurde dieses Konzept noch einen Schritt weitergeführt und zu einem umfassenden System entwickelt, das auf zwei Schlüsselkomponenten basiert: dem Digital Asset Twin und dem Operational Twin.
Diese Modelle lassen sich über ein Framework und Schnittstellen nahtlos integrieren, so dass ein Echtzeit-Datenaustausch mit SCADA- und MES-Systemen gewährleistet ist. Das auf zenon basierende SCADA-System steigert die Effizienz, die Schulung der Bediener und die Gesamtleistung weiter.
Neben den offensichtlichen Vorteilen von Produktivität und Effizienz spielen digitale Zwillinge eine Schlüsselrolle bei der Verbesserung der Nachhaltigkeit in der Fertigung, indem sie in Echtzeit Einblicke in den Energieverbrauch, das Abfallaufkommen und den Materialverbrauch liefern. Durch die Analyse dieser Daten können Hersteller die Bereiche identifizieren, in denen der Energie- und Ressourcenverbrauch gesenkt werden kann, was letztlich zu einer geringeren Umweltbelastung führt.
In Star Trek hat die Besatzung der Enterprise ihre Entscheidungen nicht auf der Grundlage von Vermutungen getroffen. Sie nutzte Simulationen, Echtzeitdaten und prädiktive Technologien, um sich von ihnen leiten zu lassen. Heute bieten digitale Zwillinge der Industrie das gleiche Maß an Voraussicht. Durch die Nutzung von Echtzeitdaten und digitalen Tools wie zenon von COPA-DATA können Unternehmen die Entwicklung in jeder Phase des Produktlebenszyklus optimieren.
Lesen Sie auch unseren englischen Originaltext From concept to completion: How digital twins impact the entire product lifecycle.