Das Schlagwort "Industrie 4.0" bestimmt seit einigen Jahren die Diskussion um die Zukunft des Maschinenbaus. Wissenschaftler prognostizieren Fabriken, die eine perfekte Vernetzung zwischen Mensch und Maschine ermöglichen und sich weitgehend selber steuern. Was nach Science-Fiction klingt, schickt sich nun an, Realität zu werden. Wir erklären Ihnen, was es mit der neuen Technologie auf sich hat und welche Potentiale sie bietet.
Ein digitaler Zwilling bildet die gesamte physische Produktion virtuell ab. Er ist quasi ein digitales Spiegelbild der realen Produktionsstätte. Erreicht wird diese Digitalisierung der Produktion durch zahlreiche an die Produktion angeschlossene Sensoren, die den Betriebsstatus kontinuierlich an das Rechenzentrum weitergeben. Auf Software-Ebene wird dann das digitale Ebenbild kreiert, das auf alle Veränderungen im Produktionsprozess in Echtzeit reagiert.
Streng genommen greift der Begriff "Digitaler Zwilling" aber zu kurz: Es wird nämlich nicht nur nachgestellt – man kann über das virtuelle Abbild auch in die komplette physische Produktion eingreifen. Beispielsweise lassen sich Maschinen für ein bestimmtes Werkstück aktivieren; oder man erstellt kurzfristig einen neuen Arbeitsschritt. Der digitale Zwilling funktioniert also bidirektional: Er ist nicht nur Monitoring-Tool, sondern auch Steuerungszentrale.
Aber auch hier ist noch nicht Schluss! Tatsächlich ist die Synthese aus physischer Produktion und digitalem Zwilling weitgehend Input-unabhängig: Das System überwacht sich selbst, steuert und korrigiert. Fällt zum Beispiel ein Industrieroboter aus, entscheidet das System, wie Abhilfe geschaffen werden kann. Der menschliche Produktionsleiter wird informiert, muss aber selbst nicht aktiv werden.
Über diese Grundfunktionen hinaus bietet der digitale Zwilling eine Reihe von weiteren Einsatzszenarien für die Produktion. Er ist zum Beispiel hervorragend dazu geeignet, um Maßnahmen zur Verbesserung der Anlagenproduktivität zuerst virtuell zu simulieren, bevor sie in der physischen Produktionsstätte umgesetzt werden. Simuliert werden kann praktisch alles, vom Energieverbrauch über Fehlerraten und Wartung bis hin zu Reinigungszyklen. So lassen sich Optimierungsstrategien ressourcensparend testen und miteinander vergleichen.
Ein weiteres Einsatzfeld ist die Produktion von Kleinserien. Durch die hohe Ergonomie, die der digitale Zwilling ermöglicht, lässt sich die Herstellung von Kleinserien in den Produktionsablauf integrieren, ohne dass die Gesamtproduktion leidet. Auch Einzelstücke sind durch die Verwendung von Produktmodellen für die Generierung von Produktionsmodellen (z. B. NC-Code) machbar.
Der digitale Zwilling bietet aber auch die Möglichkeit, die Errichtung einer neuen Produktionsstätte vorwegzunehmen. So können schon im Vorfeld Abläufe getestet und Schwachstellen identifiziert werden – bevor die erste Fertigungsstraße hochgezogen wird. Genauso können auch nur einzelne Anbauten oder bestimmte Fertigungsabschnitte vorerschaffen werden.
Es gibt aktuell mehrere Institutionen und Unternehmen, die sich mit der Entwicklung von digitalen Zwillingen befassen. Richtungsweisend ist die Forschung des Fraunhofer Institutes für Produktionsanlangen und Konstruktionstechnik in Berlin. Aber auch Siemens arbeitet mit Hochdruck an der Entwicklung von digitalen Zwillingen und bietet mit seiner IoT-Lösung "MindSphere" bereits eine marktfähige Software an.
Beim Maschinenbauer Bausch + Ströbel in Ilshofen liefert die neue Technologie bereits Resultate im Bereich Rapid Prototyping: Für die Pharmaindustrie werden neue Maschinen nicht länger als Holzmodell sondern im digitalen Zwilling erschaffen, bevor sie in die Produktion gehen. Mithilfe spezieller Brillen, die stereoskopisches 3D-Sehen ermöglichen, lässt sich der Prototyp so inklusive Bewegungsabläufen erfahrbar machen.
Die genannten Beispiele zeigen: Der digitale Zwilling fungiert als Wegbereiter der Industrie 4.0 im Maschinenbau. Die Planungs-, Steuerungs- und Produktivitätsverbesserungen, die sich durch die Digitalisierung des Maschinenbaus ergeben, scheinen tatsächlich die Ankunft einer vierten industriellen Revolution einzuleiten. Produktionsleiter sind deshalb gut beraten, die Entwicklung aufmerksam mitzuverfolgen und erste Implementierungsversuche zu unternehmen, um für die Zukunft gerüstet zu sein.