Der Megatrend erklärt : Digitale Zwillinge: Das Ideal der modernen Produktion

Ein digitaler Zwilling ist im Grunde eine virtuelle Kopie eines physischen Objekts, einer Person oder eines Prozesses. Er dient dazu, das Verhalten zu simulieren und somit das Funktionieren im realen Leben besser zu verstehen. Digitale Zwillinge sind mit realen Datenquellen verbunden, wodurch sie kontinuierlich in Echtzeit aktualisiert werden und somit die Realität optimal widerspiegeln können. Digitale Zwillinge umfassen außerdem eine Ebene von Verhaltenserkenntnissen und Visualisierungen, die auf der Grundlage von Daten abgeleitet werden. Werden mehrere digitale Zwillinge innerhalb eines Systems miteinander verbunden, so können sie ein sogenanntes Unternehmens-Metaversum bilden. Diese digitale und oft immersive Umgebung bildet jeden Aspekt eines Unternehmens nach und verbindet diese Aspekte. Hierdurch wird es möglich, Simulationen, Szenarienplanung und Entscheidungsfindung zu optimieren.

Es gibt verschiedene Arten von digitalen Zwillingen. Eine Art des digitalen Zwillings ist der Produktzwilling, der ein Produkt darstellt. Dieser digitale Zwilling kann Produkte in verschiedenen Phasen des Lebenszyklus abbilden, vom anfänglichen Konzeptentwurf und der Entwicklung bis hin zur vollen Funktionalität. Dadurch erhalten Sie Live-Echtzeitdaten zu einem Produkt, als wäre es in Betrieb. Weitere Arten von Zwillingen sind zum Beispiel Produktionsanlagen-Zwillinge, die eine gesamte Fertigungsanlage abbilden, oder Beschaffungs- und Lieferketten-Zwillinge, auch als Netzwerk-Zwillinge bekannt. Schließlich repräsentieren Infrastruktur-Zwillinge die physische Infrastruktur, wie zum Beispiel eine Autobahn, ein Gebäude oder sogar ein Stadion. Digitale Zwillinge haben das Potenzial, einen flexiblen und widerstandsfähigen Betrieb zu ermöglichen. Die CEOs haben ihr Potenzial ebenfalls erkannt: Nach McKinsey-Untersuchungen erforschen und investieren bereits 70 Prozent der Technologie-Führungskräfte in großen Unternehmen in digitale Zwillinge.

Digitale Zwillinge helfen dabei, komplexe Anlagen oder Prozesse zu modellieren, die auf vielfältige Weise mit ihrer Umgebung interagieren und deren Ergebnisse über den gesamten Produktlebenszyklus nur schwer vorhersehbar sind. Solche digitalen Zwillinge können in einer Vielzahl von Kontexten erstellt werden und unterschiedlichen Zwecken dienen. Digitale Zwillinge werden manchmal zur Simulation von spezifischen, komplexen Geräten wie Düsentriebwerken und großen Bergbau-Lkw verwendet, um die Abnutzung und bestimmte Arten der Belastung während des Einsatzes zu überwachen und zu bewerten. Diese digitalen Zwillinge können wichtige Einblicke liefern, die sich auf die zukünftige Konstruktion von Anlagen auswirken können. Ein digitaler Zwilling eines Windparks kann Informationen über betriebliche Ineffizienzen liefern. Es gibt viele weitere Beispiele für anlagenspezifische digitale Zwillinge.

Obwohl digitale Zwillinge bestimmter Anlagen sehr aussagekräftig sein können, stellt der digitale Zwilling des Fertigungsprozesses eine äußerst leistungsstarke und überzeugende Anwendung dar. Der digitale Zwilling fungiert als virtuelle Kopie dessen, was in der Fabrikhalle in nahezu Echtzeit passiert. Eine Vielzahl von Sensoren, die über dem gesamten physischen Fertigungsprozess verteilt sind, erfassen Daten in einer Vielzahl von Dimensionen: von den Verhaltensmerkmalen der Produktionsmaschinen und der laufenden Arbeiten (wie Dicke, Farbqualität, Härte, Drehmoment, Geschwindigkeit usw.) bis hin zu den Umgebungsbedingungen in der Fabrik selbst. Die Daten werden kontinuierlich an die digitale Zwillinganwendung weitergeleitet und von dieser aggregiert.

Das Modell setzt sich aus fünf Komponenten zusammen; Sensoren und Aktoren aus der physischen Welt, Integration, Daten, Analysen und die ständig aktualisierte Anwendung des digitalen Zwillings:

• Sensoren, die über den gesamten Fertigungsprozess verteilt sind, erzeugen Signale, die es dem Zwilling ermöglichen, Betriebs- und Umgebungsdaten zu erfassen, die sich auf den physischen Prozess in der realen Welt beziehen.
• Die von den Sensoren gelieferten Betriebs- und Umgebungsdaten aus der realen Welt werden aggregiert und mit Daten aus dem Unternehmen kombiniert, z. B. mit Stücklisten , Unternehmenssystemen und Konstruktionsspezifikationen. Die Daten können auch andere Elemente wie technische Zeichnungen, Links zu externen Datenquellen und Protokolle von Kundenbeschwerden enthalten.
• Sensoren kommunizieren die Daten mit der digitalen Welt durch Integrationstechnologie (einschließlich Peripherie, Kommunikationsschnittstellen und Sicherheit) zwischen der physischen und der digitalen Welt und umgekehrt.
• Analysetechniken werden eingesetzt, um die Daten durch algorithmische Simulationen und Visualisierungsroutinen zu analysieren, die vom digitalen Zwilling verwendet werden, um Erkenntnisse zu gewinnen.
• Der digitale Zwilling selbst ist eine Anwendung, die die oben genannten Komponenten kombiniert, um ein digitales Modell der physischen Welt und des Prozesses in nahezu Echtzeit zu erstellen. Das Ziel eines digitalen Zwillings ist es, inakzeptable Abweichungen von den optimalen Bedingungen entlang einer der verschiedenen Dimensionen zu erkennen. Eine solche Abweichung ist ein Fall für die Geschäftsoptimierung; entweder hat der Zwilling einen Fehler in der Logik oder es wurde eine Möglichkeit zur Kosteneinsparung, Qualitätsverbesserung oder Effizienzsteigerung erkannt. Die sich daraus ergebende Möglichkeit kann zu einer Aktion in der physischen Welt führen.
• Wenn eine Aktion in der realen Welt gerechtfertigt ist, führt der digitale Zwilling die Aktion mit Hilfe von Aktoren aus, die den physischen Prozess auslösen, wenn der Mensch eingreift.

Die Erstellung des digitalen Zwillings beginnt mit dem Prozessdesign. Welches sind die Prozesse und Integrationspunkte, für die der Zwilling modelliert werden soll? Standardtechniken des Prozessdesigns sollten verwendet werden, um zu zeigen, wie Geschäftsprozesse, Menschen, die diese Prozesse ermöglichen, Geschäftsanwendungen, Informationen und physische Güter interagieren. Es werden Diagramme erstellt, die den Prozessfluss mit den Anwendungen, den Datenanforderungen und den Arten von Sensorinformationen verknüpfen, die für die Erstellung des digitalen Zwillings erforderlich sind. Der Prozessentwurf wird um Attribute ergänzt, die die Kosten-, Zeit- oder Anlageneffizienz verbessern können. Diese stellen in der Regel die Grundannahmen dar, mit denen die Verbesserung des digitalen Zwillings beginnen sollte.

Der Schlüssel zum digitalen Zwilling liegt in der Konzentration auf die Arten von Informationen, die während des gesamten Lebenszyklus der betrachteten Anlage benötigt werden. Oft ist es wichtig, die Informationen so zu strukturieren, dass sie wiederverwendet werden können. Zu diesem Zweck kann es wichtig sein, ein kanonisches Datenmodell zu erstellen. Ein kanonisches Datenmodell ist eine gemeinsame Datenstruktur, die einem Unternehmensstandard entspricht. Sie ermöglicht es, verschiedene Systeme und Anwendungen miteinander zu verbinden und Unternehmensinformationen auszutauschen. Eine kanonische Struktur kann es den verschiedenen Systemen, die in den digitalen Zwilling integriert sind, ermöglichen, in einem einfachen, vereinbarten Format zu kommunizieren. Dies wiederum kann die Menge an Informationen, die außerhalb der Datensysteme gespeichert werden müssen, reduzieren, die Verwaltung umfangreicher Stammdatenstrukturen überflüssig machen und es einem Unternehmen ermöglichen, den digitalen Zwilling auf vielfältige Weise zu nutzen und ihn im Zuge seiner Integration in das Unternehmen flexibel zu aktualisieren, ohne ihn zu belasten.

Ein dringendes Anliegen für jedes Unternehmen, das sich auf den Weg zur Digitalisierung macht, könnte die Fähigkeit sein, die Vorteile und den Wert seiner Investition in die Schaffung eines digitalen Zwillings nachzuweisen. Wie kann dieser neue Ansatz zu Veränderungen in der Art und Weise führen, wie ein Unternehmen arbeitet und Geschäfte tätigt, die zu messbaren Geschäftsvorteilen führen? In der Vergangenheit war die Erstellung digitaler Zwillinge kostspielig und von begrenztem Nutzen. Mit dem Aufkommen immer günstigerer Speicher- und Rechenkosten hat sich die Zahl der Anwendungsfälle und Möglichkeiten für die Erstellung eines digitalen Zwillings stark erhöht, was wiederum den Geschäftswert steigert.

Bei der Betrachtung des geschäftlichen Nutzens, den der digitale Zwilling bietet, sollten sich Unternehmen auf Fragen konzentrieren, die mit strategischer Leistung und Marktdynamik zusammenhängen, z. B. verbesserte und nachhaltigere Produktleistung, schnellere Konstruktionszyklen, Potenzial für neue Einnahmequellen und besseres Management der Gewährleistungskosten. Diese und andere strategische Aspekte können sich in spezifischen Anwendungen niederschlagen, die einen umfassenden Geschäftswert bieten, den ein digitaler Zwilling realisieren kann.

Qualität: Verbesserung der Gesamtqualität

• Vorhersage und frühere Erkennung von Qualitätsmängeln
• Qualitätsverluste kontrollieren und feststellen können, wann das Qualitätsproblem begann

Kosten und Dienstleistungen

• Die aktuelle Konfiguration der Geräte vor Ort besser verstehen, um einen effizienteren Service bieten zu können.
• Proaktive und genauere Bestimmung von Garantie- und Reklamationsproblemen, um die Gesamtgarantiekosten zu senken und die Kundenerfahrung zu verbessern.

Datenspeicherung und Serialisierung

• Erstellung einer digitalen Aufzeichnung von serialisierten Teilen und Rohmaterialien, um Rückrufe und Garantieansprüche besser verwalten zu können und die vorgeschriebenen Rückverfolgungsanforderungen zu erfüllen.

Entwicklung

• Verkürzung der Markteinführungszeit für ein neues Produkt
• die Gesamtkosten für die Herstellung eines neuen Produkts zu senken
• Komponenten mit langer Vorlaufzeit und Auswirkungen auf die Lieferkette besser erkennen

Umsatzsteigerung

• Produkte im Feld zu identifizieren, die für ein Upgrade bereit sind
• Verbesserung der Effizienz und der Wartungskosten für das Produkt

Der weltweite Markt für digitale Zwillinge wird für 2022 auf 11,12 Mrd. USD geschätzt und soll zwischen 2023 und 2030 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 37,5 % wachsen. Unterbrechungen in der Lieferkette und Produktionsunterbrechungen während der COVID-19-Pandemie führten zur Aussetzung verschiedener anderer Aktivitäten entlang der Wertschöpfungskette in Branchen wie der verarbeitenden Industrie, der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie. Dies wirkte sich in der ersten Hälfte der Pandemie im Jahr 2020 auf den Markt für digitale Zwillinge aus. Als jedoch die Zahl der COVID-19-Fälle zurückging und die Einschränkungen aufgehoben wurden, begann sich der Markt für digitale Zwillinge stark zu erholen, da mehrere Branchen zur Automatisierung und Virtualisierung von Produkten und Prozessen übergingen.

Der zunehmende Einsatz von Cloud- und IoT-Technologien bringt auch Bedrohungen für die Sicherheit und den Datenschutz sowie ein erhöhtes Risiko von Cyberangriffen mit sich. Cloud-basierte digitale Zwillinge erfordern die Online-Speicherung von Bestandsdaten, was zu Sicherheits- und Datenschutzbedenken führt. Darüber hinaus erschwert der Mangel an qualifizierten Fachkräften den Unternehmen die Entwicklung und effiziente Umsetzung von Cybersicherheitsstrategien. Aus diesem Grund zögern viele kleine und mittlere Unternehmen immer noch, umfangreiche Investitionen in fortschrittliche Technologien zu tätigen, was sich negativ auf das Wachstum des Marktes für digitale Zwillinge auswirken dürfte.

In der Massenproduktion kann der Weg zu einem hervorragenden Produkt mit vielen Herausforderungen verbunden sein. Das Zeitalter der intelligenten Fertigung hat den Marktteilnehmern zahlreiche Technologien zur Lösung dieser Probleme an die Hand gegeben. Um Anlagen, Fabriken, Produktionsnetzwerke und die Effizienz der Mitarbeiter zu überwachen, nutzen Hersteller die Technologie des digitalen Zwillings. Hier sind einige der interessantesten Beispiele aus der Praxis.

Der digitale Zwilling kann für Unternehmen einen greifbaren Wert schaffen, neue Einnahmequellen erschließen und ihnen helfen, wichtige strategische Fragen zu beantworten. Dank neuer technologischer Möglichkeiten, Flexibilität, Agilität und geringerer Kosten können Unternehmen die Reise zur Erstellung eines digitalen Zwillings mit geringerem Kapitaleinsatz und in kürzerer Zeit als je zuvor antreten. Ein digitaler Zwilling kann während des gesamten Lebenszyklus eines Produkts eingesetzt werden und in Echtzeit Fragen beantworten, die zuvor nicht beantwortet werden konnten, und so einen Wert schaffen, der noch vor wenigen Jahren unvorstellbar war.

Die Frage ist nicht, ob man damit anfängt, sondern wo man anfängt, um in kürzester Zeit den größten Nutzen zu erzielen und der Konkurrenz einen Schritt voraus zu sein. Was wird der erste Schritt sein und wie werden Sie beginnen? Es kann eine überwältigende Aufgabe sein, dorthin zu gelangen, aber die Reise beginnt mit einem einzigen Schritt.