Die Diskussion über den Begriff „digitaler Zwilling“ (engl. digital twin, kurz DT) und die damit verbundenen Konzepte hat sich ausgeweitet. Bezogen auf die industrielle Produktion bezeichnet der DT eine ganzheitliche, vernetzte virtuelle Repräsentation einer physischen Entität. Das Spektrum dieser Entitäten reicht von einzelnen Produkten über spezifische Fertigungsprozesse bis hin zu komplexen automatisierten Produktionssystemen. Ein gemeinsames Metamodell, das Digital Twin Structure Model (DTSM), das die verschiedenen Aspekte integriert und klassifiziert, wurde am Lehrstuhl FAPS entwickelt. Dieses Strukturmodell des DT im Kontext der Fertigung liefert einen Überblick und eine Erläuterung der Dimensionen, der Funktionalität und der Kopplung des DT in Bezug auf seine Umgebung. Das DTSM wird durch einen dreidimensionalen Lösungsraum visualisiert (Bild 2).

Die beschreibenden Teilmodelle des DTSM umfassen Engineering-Modelle, erweiterte Modelle (datengetriebene Blackbox-Modelle) und den digitalen Schatten (Realdaten des physischen Assets). Innerhalb des DTSM manifestiert sich der DT als eine Reihe von ausführbaren digitalen Anwendungen und Funktionen, die Engineering- und erweiterte Modelle zusammen mit dem digitalen Schatten nutzen, um Zustände eines physischen Assets zu visualisieren, zu identifizieren, vorherzusagen oder zu kontrollieren, um dadurch einen zusätzlichen Wert zu generieren. Er befindet sich in der ausführenden Exekutivschicht und erstreckt sich über den gesamten Lebenszyklus sowie über Produkte, Prozesse und Ressourcen.

Ein wichtiger Aspekt für den erfolgreichen Einsatz des DT ist eine durchgehende Datenhaltung, um stets die aktuellsten Daten zur Verfügung stellen zu können. Diese Herausforderung lässt sich nur durch den Einsatz von Product-Data-(PDM-) und Product-Lifecycle-Management-(PLM-)Software bewältigen. Die Notwendigkeit dieser Software-Lösungen entstand durch den zunehmenden Einsatz der rechnergestützten Produktentwicklung und der ansteigenden Komplexität im Prozess. Unternehmen standen der Herausforderung gegenüber, digitale Daten sowie analoge Dokumente parallel zu verwalten. Zudem wurden Produkte komplexer, sodass Dokumente weiterer Disziplinen hinzukamen und die Heterogenität der Daten erhöhten.

Viele der Möglichkeiten, die der Effizienzsteigerung innerhalb des Produktentstehungsprozesses dienen, finden Umsetzung in der Digitalen Fabrik (DF). Eine Definition der DF gibt die VDI-Richtlinie 4499: „Die Digitale Fabrik ist der Oberbegriff für ein umfassendes Netzwerk von digitalen Modellen, Methoden und Werkzeugen [...], die durch ein durchgängiges Datenmanagement integriert werden.“ Ziel ist die ganzheitliche Planung, Evaluierung und laufende Verbesserung aller wesentlichen Strukturen, Prozesse und Ressourcen der realen Fabrik in Verbindung mit dem Produkt. Dabei reicht das Spektrum von einem reinen Datenmodell über Planungswerkzeuge bis hin zu einem Simulationsmodell und der virtuellen Inbetriebnahme.

Zur Optimierung von Anlagen werden bereits in der Planungsphase Simulationsmodelle genutzt. Häufig entstehen dafür viele verschiedene Modelle, die einzelne Aspekte der Anlage überprüfen und optimieren. So werden beispielsweise in der FEM-Analyse einzelne Komponenten evaluiert, auf Haltbarkeit überprüft und gegebenenfalls optimiert. Weitere Funktionalitäten werden auf Modulebene oder im Gesamtmodell kontrolliert. Ein Beispiel hierfür ist die Materialflusssimulation, die den Fokus entweder auf einzelne Module oder auf deren Zusammenspiel in der Anlage legen kann. Bei Kombination verschiedener Simulationen wird eine verteilte Simulationsumgebung als Basis benötigt.

Soll innerhalb der Simulationen auch die zu verwendende Software überprüft und gegebenenfalls angepasst und optimiert werden, spricht man von virtueller Inbetriebnahme. Auf Basis der Simulationsmodelle ist es möglich, die Software zu testen – innerhalb der Simulationsmodelle, mit einer simulierten Steuerung (Bild 1) oder mit der Hardware, die im Betrieb auch an der Anlage verwendet werden soll. Durch die frühzeitige Verbindung von Software, Mechanik und Elektrik wird die Inbetriebnahme der Anlage zeitlich verkürzt sowie kostengünstiger und qualitativ besser durchgeführt. Der DT von Produktionsanlagen lässt sich nach der oben beschriebenen Definition also bis zur Inbetriebnahme der Anlage und darüber hinaus verwenden. Die gängigen Werkzeuge der Digitalisierung spielen hierfür eine wichtige Rolle. Kommen diese in einem ganzheitlichen Ansatz zur Anwendung, so wird sich die Anlagenentwicklung zukünftig besser, schneller und effizienter gestalten lassen.

Florian Faltus, Eva Russwurm, Matthias Brossog, FAPS