Mein digitaler Zwilling – Großer Bruder in allen Lebenslagen
Ein großer Bruder ist eine tolle Sache. Er steht einem mit guten Ratschlägen zur Seite und hilft aus, wenn es einmal eng wird. Nicht zuletzt spornt er einen zu immer besseren Leistungen an. Leider hat nicht jeder einen solchen Bruder. Auch nimmt diese Verbindung mit dem Erwachsenwerden immer mehr ab. Der Bedarf an Beratung bleibt natürlich weiterhin bestehen.
In mir kam deshalb der Gedanke auf, ob nicht ein digitaler Zwilling der eigenen Persönlichkeit diese Aufgabe übernehmen kann. Ein mathematisches Rechenmodell simuliert die kleinen und großen Entscheidungen des Lebens. So könnte man zum Beispiel mit einer Optimierungsfunktion einen maßgeschneiderten Trainingsplan für einen Marathonlauf berechnen lassen. Damit hätte man die Gewissheit das Maximale aus seinen Möglichkeiten herausgeholt zu haben. Auch würde sich die doch sehr komplizierte Partnersuche deutlich vereinfachen lassen. Die Frage, ob es sich nur um eine Schwärmerei oder doch um die große Liebe handelt, könnte vom digitalen Zwilling geklärt und schließlich entschieden werden. Die Randbedingungen für die Gründung einer Familie würden direkt mit überprüft werden. Auch Liebeskummer würde der Vergangenheit angehören. Schon eine Volksweisheit besagt, dass man am meisten aus Fehlern anderer lernt. Übernimmt diese Funktion das virtuelle Gegenstück, kommt in der realen Welt auch niemand (mehr) zu Schaden.
Gefüttert wird dieses Modell von den vielen Daten, die wir oftmals schon über die sogenannten Smart Devices, wie Smartphones oder Fitness-Uhren, sammeln. Vermutlich müssten noch weitere Daten, wie Körpertemperatur oder Adrenalinausstoß, berücksichtigt werden. Ein ausgeklügelter Algorithmus bestimmt daraus die noch unbekannten Faktoren zukünftiger Entwicklungen und liefert als Ergebnis eine konkrete Handlungsempfehlung. Die Simulation könnte fortwährend alle getroffenen Entscheidungen überprüfen und gegebenenfalls Warnmeldungen aussprechen, noch bevor ein Unglück geschieht.
Diese Vorstellung ist sehr verlockend. Allerdings scheitert die Umsetzung bisher schon an der Erstellung des mathematischen Modells. Ein solch komplexes System wie der Mensch lässt sich nicht mit einer einfachen Formel beschreiben. Noch sind die einzelnen Zusammenhänge zu wenig erforscht und verstanden, um ein aussagekräftiges Simulationsmodell erstellen zu können. Die Idee eines persönlichen digitalen Zwillings bleibt wohl zunächst eine Vision für die ferne Zukunft.
Digitaler Zwilling in der Produktentwicklung
In der Produktentwicklung ist man da schon einen Schritt weiter. Viele Fragestellungen während der Produktentstehung lassen sich auf Festigkeits-, Strömungs- oder Thermikprobleme zurückführen. Hierfür gibt es sehr gute physikalische Modelle. Mit diesen kann sehr genau das reale Verhalten der Konstruktion vorhergesagt werden.
Mit SOLIDWORKS Simulation lässt sich von der statischen Festigkeit bis hin zum nicht-linearen Schwingverhalten die Konstruktion zu einem sehr frühen Zeitpunkt testen und optimieren. Strömungseffekte und thermische Gegebenheiten können mit SOLIDWORKS Flow Simulation berechnet werden. SOLIDWORKS Plastics virtualisiert den gesamten Spritzgussprozess von der Werkzeugfüllung bis hin zum Bauteilverzug. Darüber hinaus lassen sich auch elektromagnetische Vorgänge mit EMWorks simulieren.
Vorteil des digitalen Zwillings in der Produktentwicklung ist das frühzeitige Erkennen von Schwachstellen am virtuellen Modell. Es lassen sich dadurch nicht nur physische Prototypen einsparen. Auch kann eine automatisierte Optimierung zu Verbesserung der Produktqualität durchgeführt werden. Insgesamt führt dies zu einer Reduzierung von Entwicklungszeiten und -kosten.
Zukünftig wird dieses Simulationsmodell auch auf die Produktnutzung vererbt werden. Während des Betriebs könnte damit die Funktionstüchtigkeit überprüft werden und damit frühzeitig auch auf mögliches Versagen hingewiesen werden. So könnte zum Beispiel ein Fahrrad selbstständig melden, dass unter Berücksichtigung des individuellen Nutzungsprofils nur noch zehn Sprünge über die Bordsteinkante möglich sind. Die geeigneten Wartungsmaßnahmen können direkt eingeleitet werden.
Um den digitalen Zwilling in der Produktnutzung umsetzen zu können, sind eine Vielzahl von Messdaten erforderlich. So müssen fortlaufend Beschleunigungen, Kräfte, Temperaturen etc. in allen relevanten Teilen der Konstruktion gemessen und dem Rechenmodell zugeführt werden. Aktuell stehen für den mobilen Einsatz die nötigen Rechenleistungen nicht zur Verfügung. Auch das Auslagern der Berechnung auf stationäre Server ist aufgrund der großen Datenmengen mit aktueller Übertragungstechnik nicht möglich. Neue Technologien werden hier bald neue Möglichkeiten schaffen.
Digitaler Zwilling in der Automatisierung
In der Automatisierung ist man schon heute noch einen Schritt weiter. Durch den stationären Einsatz der Anlagen steht genügend Rechenleistung zur Verfügung. Die großen Datenmengen können lokal übertragen werden. Der digitale Zwilling ist direkt in den Schaltschrank implementiert.
Mit industrialPhysics wird bereits in der Anlagenplanung ein Simulationsmodell erstellt. Dieses kann direkt aus den SOLIDWORKS Konstruktionsdaten abgeleitet werden. Somit wird im ersten Schritt das physikalische Zusammenspiel der einzelnen Aktoren, Sensoren, Greifer etc. überprüft. Schwachstellen des Anlagenkonzepts können direkt optimiert werden.
Im nächsten Schritt kann die SPS-Programmierung an des selbe Simulationsmodell angeschlossen werden. Die Anlage wird virtuell in Betrieb genommen. Fehler im Programmablauf werden bequem vom Schreibtisch aus behoben. Die Auslieferung der realen Anlage kann nun problemlos erfolgen.
Zusammen mit der Anlage wird zusätzlich auch das Simulationsmodell ausgeliefert. Dieses wird nun an die reale Steuerung angeschlossen. Dies hat mehrere Vorteile.
Nachträgliche Änderungen an der Anlagensteuerung, wie Erhöhung der Fließbandgeschwindigkeiten, können vorab am virtuellen Modell auf Machbarkeit getestet werden. Erst nach erfolgreicher Prüfung wird in die Produktion eingegriffen. Die Änderung kann ohne Stillstandzeiten erfolgen.
Ebenfalls können einzelne Funktionen der Steuerung vorab im Rechenmodell simuliert werden. Als Ergebnis werden die optimalen Parameter zurück an die reale Steuerung gegeben. So ist es zum Beispiel möglich die Bewegungen eines Palettierroboters während der Arbeit neu zu programmieren. Eine Kamera filmt die ankommenden Pakete. Diese Information wird an die Simulation übergeben. Dort kann mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens jedes Paket ideal auf der Palette platziert werden. Die dafür notwendigen Fahrwege des Roboters werden nun zurück an die SPS-Steuerung übergeben.
Ein nicht zu unterschätzender Vorteil ist die Möglichkeit per Fernwartung auf den digitalen Zwilling zuzugreifen. Tritt an der realen Anlage ein Störfall ein, kann meist nur ein qualifizierter Servicetechniker die Ursache ausfindig machen und geeignete Gegenmaßnahmen einleiten. Um dem Kunden einen schnellen und lückenlosen Service anbieten zu können, ist ein aufwändiges, weltweites Servicetechnikernetz notwendig. Mit Hilfe der Fernwartung kann nun der Techniker bequem von Zuhause aus den Störfall genauer untersuchen. Über eine Aufnahmefunktion können sogar die letzten Minuten oder sogar Stunden im Rückblick betrachtet werden. Somit ist die Fehlersuche sehr schnell durchzuführen. Vor Ort muss nun nur noch eine meist einfache Reparaturanweisung umgesetzt werden. Der digitale Zwilling erlaubt es sogar in die Zukunft zu schauen. Die Simulation eilt der realen Anlage um eine geeignete Zeitspanne voraus. Tritt an der realen Anlage eine Störung auf, ist die Lösung längst am virtuellen Modell gefunden.
Beginn der spannenden Entwicklung
Wie aufgezeigt bietet der digitale Zwilling schon heute einen unschätzbaren Mehrwert. In Anlagenbau und Produktentwicklung lassen sich mit virtuellen Prototypen viele Prozesse effektiver und einfacher gestalten. Obwohl der digitale Zwilling sich in der Praxis in den unterschiedlichsten Disziplinen bereits bewährt hat, stehen wir erst am Beginn einer spannenden Entwicklung. Die zukünftigen Möglichkeiten werden die Produktentstehung und -nutzung komplett verändern. Es ist jetzt der Zeitpunkt, um sich für die digitale Zukunft zu rüsten. Mit den Simulationswerkzeugen von SOLIDWORKS, EMWorks und industrialPhysics wird der digitale Zwilling zum wichtigsten Innovationstreiber.
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