Das digitale Abbild der Realität ist nicht erst seit dem Hollywood-Film Avatar ein prägender Begriff in der Industrie-4.0-Welt. Laut Gartner lassen sich hierüber Produktivitätspotenztiale von rund zehn Prozent heben. So ist nachvollziehbar, dass sich in den kommenden zehn Jahren ein Großteil der produzierenden Unternehmen mit Digital Twins beschäftigen wird. Ein guter Grund also, sich das Thema etwas näher anzusehen.

Motivation und Potenziale

Für die Analysten von Gartner ist das Thema Digital Twin eines der zehn Top-Technologietrends (Stand 2017). Den Analysten zufolge wird es bis zur vollständigen Reife der Technik noch zirka fünf Jahre dauern. Nichtsdestotrotz gibt es bereits jede Menge Projekte in diesem Umfeld. So treiben derzeit alle deutschen Automobilhersteller das Thema mit Nachdruck voran. Über das digitale Abbild lässt sich einfach und schnell nachprüfen, ob und wie ein Teil nachgerüstet werden kann und ob es kompatibel zum Rest des Fahrzeuges ist. Der Nutzen fängt in der Produktentwicklung an, geht über die Produktion und endet im Aftersales bei der Planung von Rückrufaktionen.

Praktische Beispiele

Digitale Zwillinge sind schon lange keine theoretischen Konstrukte mehr, auch wenn deren konkrete Ausprägung je nach Anwendungsfeld unterschiedlich ausfallen kann. Das gilt vor allem für die Funktionen und die Abdeckung des physikalischen Gebildes. Vorreiter auf diesem Gebiet ist sicher die Elektronikfertigung.

Das Siemens-Werk in Amberg ist nicht nur ein Paradebeispiel für eine Smart Factory, sondern auch für die Umsetzung eines Digital Twin im großen Maßstab. Mit schöner Regelmäßigkeit heimst die Fabrik Auszeichnungen ein. Die Elektronikfertigung ist aber auch für das Thema mehr als prädestiniert. Ein hoher Automatisierungsgrad ist hier schon seit Jahren auf Grund der Fertigungskomplexität ein absolutes Muss. Die Bestückung von Leiterplatten auf hohem Qualitätsniveau ist durch manuelle Tätigkeiten von Menschen schlicht nicht möglich.

Weitere Beispiele sind digitale Zwillinge von Häfen etwa in Rotterdam oder Hamburg. Hierbei wird allerdings nicht der gesamte Hafen in seinen kleinsten Details nachgebildet, sondern ausschließlich jene Aspekte, die für den Betrieb relevant sind. Man kann hier erstmal mit wenigen Datenpunkten auskommen. Tatsächlich ist das einer der wichtigsten Punkte bei der Modellierung eines digitalen Zwillings: die Granularität. Akademische Vollständigkeit ist hier nicht gefragt, wohl aber Pragmatismus. Es ist nicht sinnvoll, für den geforderten Zweck irrelevante Attribute zu beschreiben oder zu modellieren.

Bei Porsche werden alle Fertigungsschritte in Echtzeit mit einem digitalen Abbild verglichen. So können Qualitätsschwankungen erkannt werden, bevor sie beim Kunden negativ auffallen. Auch viele Zulieferer haben sich auf den Weg gemacht, ein digitales Abbild ihrer Produkte zu erstellen. Neue Geschäftsmodelle beflügeln hierbei diese Ansätze. Weitere Ansätze sind etwa die virtuelle Inbetriebnahme von Maschinen und ganzen Produktionslinien. Ein oft vernachlässigter Punkt ist der mögliche Einsatz eines digitalen Abbilds im Vertrieb. Verkaufsgespräche ließen sich deutlich realistischer und auch emotionaler führen, etwa für das Produkt Auto, wenn ein digitales Abbild vorläge. Auch könnten mittels Virtual Reality die Ausmaße des neuen Autos oder auch von Maschinen viel realistischer dargestellt werden.

Der Aufbau eines Digital Twin

Zuerst zur Begrifflichkeit. Beim digitalen Zwilling wird versucht die Realität virtuell abzubilden - in einer möglichst sinnvollen Granularität. Da hierbei leicht viele Daten und Informationen entstehen, ist eine Unterteilung sinnvoll. Im Weiteren erfolgt eine Darstellung gemäß der Siemens-Nomenklatur, da diese sich in der Praxis bewährt hat. Demnach gibt es folgende Spielarten eines Digital Twin:

• Digitaler Product Twin - hier befinden wir uns in der Produktentwicklung, also das Produkt mit 3D-Modell/CAD-Modell, Prüfmerkmalen, notwendigen Simulationen während der Produktentwicklung.

• Digital Production Twin - nun sind wir in der Fabrikplanung angelangt, also Maschinen und Anlagen, Werkzeuge, NC-Programme und Prüfprogramme zur Produktion unseres Produktes.

• Digital Performance Twin - auch als digitales Produktgedächtnis bekannt: Es geht um Produktionskennzahlen und Daten wie Durchlaufzeit, Einhalten von Lieferzeiten, Qualität etc.

Aggregiert werden die Daten über einen Data Lake und mithilfe von Advanced-Analytics-Plattformen. Die verschiedensten Lösungsanbietern sind hier natürlich bestrebt, ihre Cloud-basierten IIoT-Plattformen in Position zu bringen. Diese sind aber durchaus nicht zwingend erforderlich. Zu den einzelnen Produktanbietern kommen wir gleich. Zuerst aber noch etwas Grundsätzliches.

Es ist schon angeklungen, dass es sich beim digitalen Zwilling um die Sammlung aller relevanten Daten eines Produkts und der Produktionsumgebung handelt. Daher ist wohl klar, dass die Daten aus den jeweils führenden Systemen kommen müssen, also dem Product Lifecycle Management (PLM) für die Produktentwicklung, der digitalen Fabrik für die Produktionsplanung, dem ERP-System für die unternehmerischen Belange und dem Manufacturing Execution System (MES) für die Produktion.Hinzu kommen die Informationen aus dem Feld, also wenn das Produkt beim Kunden im Einsatz ist. So ergibt sich schon fast zwangsläufig die Architektur eines digitalen Zwillings.

Digital Twins bringen erhebliche Herausforderungen bei der Integration mit sich - einschließlich dem Master Data Management. So ist verständlich, dass eine einheitliche Beschreibungssprache erforderlich ist, um der Heterogenität Herr zu werden. Es gibt also viel zu tun, wenn man sich daran macht einen digitalen Zwilling aufzusetzen.

Wichtig ist das methodische Vorgehen. Hier haben sich Unternehmen wie Deloitte entsprechende Gedanken gemacht, außerdem kann man auf die Ansätze der weiter unten beschriebenen Produkthersteller zurückgreifen. Entscheidend ist, dass der digitale Zwilling Schritt für Schritt aufgebaut wird nach agilen Vorgehensmustern. Konkrete Use Cases führen zu mehr Akzeptanz in den jeweiligen Fachbereichen. Mit ihnen werden allen Verantwortlichen Nutzen und Vorteile schnell klar.