Warum Digitale Zwillinge zum Mainstream werden

Von der Idee und dem Konzept am Computer in die Realität. Vom Greifer...Ansys

Tatsächlich wurde der Begriff digitaler Zwilling in den frühen Anfängen des Online-Shoppings geprägt, um ein digitales Abbild eines Kunden und seiner Kaufgewohnheiten zu schaffen und diese besser zu verstehen. Heute wird er oft in Zusammenhang mit Industrie 4.0, dem Internet der Dinge und der digitalen Fertigung verwendet.

Was genau ist ein digitaler Zwilling?

...bis zur Ölplattform Ansys

Ein digitaler Zwilling ist eine digitale Kopie eines physischen Objekts, einer Komponente oder eines „Dings“. Mit technischer Simulations-Software – und Ansys Twin Builder im Speziellen – werden kontinuierlich Daten (Temperatur, Druck, Durchflussrate, etc.) des Objekts mithilfe von Sensoren in Echtzeit gesammelt. Dadurch erlebt der digitale Zwilling dieselbe Abnutzung wie das physische Gerät, allerdings rein virtuell auf einem Computer.

Ingenieure können dieses genaue Modell nutzen, um Probleme vorherzusehen und Ausfallzeiten für Reparaturen zu planen, anstatt sich wie bisher auf Wartungszeitpläne auf Basis von Zeitintervallen zu verlassen. Ungeplante Ausfallzeiten sind wesentlich teurer als solche, die man vorausschauend planen kann. Darüber hinaus können Ingenieure durch Simulation unterschiedliche Betriebsbedingungen testen, bevor sie die Anlage diesen aussetzen. Der digitale Zwilling bietet zudem viele unterschiedliche Betriebsdaten, die dazu genutzt werden können, die nächste Version des Objekts wesentlich leistungsfähiger zu machen.

Wie entsteht ein digitaler Zwilling?

Um einen digitalen Zwilling zu entwickeln, starten Ingenieure mit dem Bau eines Systemmodells, das sie dann verifizieren und optimieren. Viele Kunden nutzen Ansys Twin Builder, um ihre Systemmodelle einfach und schnell zu bauen. Das Tool kombiniert die Leistung eines Modellierers für Multidomänensysteme mit anwendungsspezifischen 0D-Bibliotheken, 3D-Physik-Lösern sowie Reduced-Order-Modell-Fähigkeiten (ROM) und einer eigebetteten Control-Code-Integration. So können Anwender existierende Komponenten wiederverwenden, um noch schneller ein präzises Systemmodell eines Objekts zu erstellen. Darüber hinaus kann jederzeit detaillierte 3D-Physik genutzt werden. Zu den physikalischen 3D-Solvern gehören Ansys Mechanical, eine Strukturanalyse nach der Finite-Elemente-Methode, Ansys Fluent für die Strömungssimulation nach dem Finite-Volumen-Verfahren sowie ein Tool, um elektromagnetische Felder zu simulieren.

Diese Funktionalitäten vereinfachen den Entwicklungsprozess für einen digitalen Zwilling deutlich. Grundsätzlich wird der Aufwand für das Erstellen eines digitalen Zwillings durch die hohe Zeit- und ­Kostenersparnis aber mehr als wieder gut gemacht. Zu den Vorteilen zählen die Halbierung der Zeit in der Bauphase und bis zu 25 % höhere Leistung des Objekts in der Verifizierungsphase. Im Einsatz kann ein digitaler Zwilling zudem die Wartungskosten innerhalb eines Produktlebenszyklus um bis zu 20 % senken. Aus unternehmerischer Sicht fördert die für das Erstellen benötigte Kollaboration zwischen den Ingenieuren und den für den Betrieb verantwortlichen Mitarbeitern wichtige Arbeitsbeziehungen.

Video: Digitale Zwillinge von Ansys

Vorteile von digitalen Zwillingen

Mit Digitalen Zwillingen lassen Produkte simulieren und optimieren. Ansys

Instandhaltung, Reparatur und Betrieb (MRO) sind die Teile des Produktlebenszyklus, bei denen digitale Zwillinge den größten Mehrwert liefern können. Idealerweise wird der Zwilling vor der Produktion entwickelt. Dadurch lässt sich das Produkt in einer virtuellen Umgebung validieren und optimieren. Ingenieure können durch einen digitalen Zwilling in dieser Phase des Produktlebenszyklus auf zuverlässige, simulierte Echtzeitdaten zugreifen, frühzeitig Fehlfunktionen vorhersagen und komplexe Konstruktionsprobleme lösen. Durch die Lösung dieser Themen in einer virtuellen Umgebung und nicht nach der Herstellung eines Prototyps, sparen Unternehmen wertvolle Zeit und Geld. Kunden in der Fertigungsbranche geben an, dass sich durchschnittlich 25 % ihrer Wartungsprozesse auf Verfahren fokussieren, die bereits gut funktionieren. Doch dank der Kombination aus digitalem Zwilling und dem industriellen Internet der Dinge (IIoT), können sich die Ingenieure in der Wartung auf Aufgaben konzentrieren, die ihre Aufmerksamkeit erfordern und so Betriebskosten senken.

Komplexe Projekte benötigen oft auch komplexe Lösungen, um sich weiterentwickeln zu können. Zum Beispiel suchen Unternehmen in der Öl- und Gasindustrie immer nach Wegen, Materialien und Ressourcen so kosten- und zeiteffizient wie möglich zu gewinnen. Mit einem digitalen Zwilling kann diese Industrie ihre Pipelines überwachen und Erosion, Korrosion sowie Materialermüdung frühzeitig erkennen. Zudem kann der Zwilling simulieren, wie diese Probleme das physische Objekt beeinflussen. Darüber hinaus können Ingenieure solche Daten in die Weiterentwicklung einfließen lassen, um das Design des Objekts zu optimieren und Betriebsstörungen zu minimieren.

Die Vorteile der digitalen Zwillinge sind offensichtlich. Warum also finden sie bisher so wenig Einsatz? Bis vor kurzem benötigten Anwender für das Erzeugen eines digitalen Zwillings viel Geld, multifunktionale Technologie und Fachkompetenzen. Damit erwies sich eine interne Umsetzung für die meisten Unternehmen als nicht praktikabel. Doch heutzutage sind digitale Zwillinge leicht zu implementierende und unkomplizierte Lösungen.

Ansys bei Cadfem auf der SPS 2019: Halle 6, Stand 260

(ml)