Der Digitale Zwilling – ein umfassendes virtuelles Abbild von Produkt und Produktion

Grüne Digitalen Zwilling unterstützen Unternehmen dabei, ihre Fertigungsprozesse ökologisch zu bewerten und gezielt zu optimieren.

Der Digitale Zwilling bildet Produkte digital ab und verknüpft sie mit Fertigungstechnologien, Prozessparametern und Umweltkennzahlen. So können Unternehmen den CO₂-Fußabdruck ihrer Produkte präzise berechnen und transparent visualisieren.

Durch die Analyse der gesamten Prozesskette identifizieren Unternehmen gezielt Emissionstreiber und erhalten konkrete Hebel zur Reduktion von CO₂-Ausstoß und Ressourcenverbrauch. Das erhöht nicht nur die ökologische Effizienz, sondern auch die wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit.

Im Projekt »BIZ4GREEN« setzen wir auf Flexibilität: Unser Ziel ist es den im Projekt entwickelten Digitalen Zwilling auf andere Produkte und Branchen übertragen zu können.

Für Produktionsprozesse in der Turbomaschinenfertigung arbeiten wir an verschiedenen Lösungsansätzen, mit denen sich kostspielige Fertigungsfehler reduzieren oder sogar gänzlich vermeiden lassen:

Die erfassten Daten aus der Konstruktion und Entwicklung der komplexen Triebwerkskomponenten dienen als Basis für das virtuelle Abbild. Alle Produktions- und Sensordaten werden individuell für das jeweilige Produkt im Digitalen Zwilling gespeichert, sodass er auf diese Weise die komplette Produktionshistorie einschließlich der Projekt- und Auftragsdaten mitführt.

Die erweiterten Modelle mit den Produkt-, Produktions- und Nutzungsdaten stehen für Analysen bereit und beschleunigen die Prozessentwicklung und -optimierung in der Einzel- und Serienfertigung.

Auch im Fall von Wartungsarbeiten lässt sich anhand der gespeicherten Daten im virtuellen Modell der gegenwärtige Status der Komponente erfassen und analysieren.   

Bei Fragen zum digitalen Zwilling von Triebwerkskomponenten, melden Sie sich an Viktor Rudel.

Die Glasumformung ist ein etabliertes, leistungsfähiges Fertigungsverfahren zur replikativen Herstellung komplex geformter Glasoptiken. Während des Produktionsprozesses kommt es jedoch aufgrund thermischer und werkstoffseitiger Einflüsse oft zu einer nicht-tolerierbaren Formabweichung der Glaskomponenten.

Um diese Formabweichung zu vermeiden, entwickelte das Fraunhofer IPT ein numerisches Simulationswerkzeug für die Glasumformung. Anhand der Simulation lassen sich geometrische Abweichungen, etwa die Glasschrumpfung, und optische Veränderungen wie der »Index-drop« erstmals vorhersagen und es gelingt, die Auslegung der Werkzeugformeinsätze und der Prozessführung bereits im Vorfeld der Produktion realitätsnah abzubilden. Der Einsatz des Simulationswerkzeugs kann auf diese Weise den Aufwand der Produktentwicklung entscheidend verringern.

Umfassende Modelle zur Vorhersage des Umformergebnisses

Um alle relevanten Einflussfaktoren des Prozesses in der Simulation zu berücksichtigen, führt das Fraunhofer IPT grundlegende Arbeiten zum Aufbau eines umfassenden Prozessmodells durch.  Dazu gehört die Implementierung eines viskoelastischen Verformungs- und Materialmodells sowie eines thermischen Modells, das die ungleichförmige Temperaturverteilung innerhalb des Glases und des Werkzeugs beschreibt. Anhand umfangreicher Versuchsreihen verfügt das Fraunhofer IPT über präzise Kenntnisse der Materialeigenschaften optischer Gläser und der korrespondierenden Werkzeugmaterialien.

Bei Fragen zum digitalen Zwilling bei der Glasumformung, melden Sie sich bei Cornelia Rojacher.

Digitale Produktzwillinge in der Batteriezellfertigung ermöglichen eine strukturierte Konsolidierung und Verwaltung von Daten, Informationen und Modellen, die einer konkreten Instanz eines physischen Zwischen- oder Endprodukts, zum Beispiel einer Elektrodenrolle oder einer Batteriezelle, zugeordnet sind. Beschreibende und technische Produktdaten werden  in einer globalen Datenstruktur zusammengeführt und semantisch vernetzt. So kann der Aufbau und die Konfiguration des Produkts digital abgebildet und mit Daten zu externen Umwelteinflüssen sowie relevanten Prozessdaten angereichert und verknüpft werden. Beispiele sind etwa Maschinenparameter aus einzelnen Prozessen wie Sollwerte für den Kalanderspalt oder Sensorwerte, die während einzelner Fertigungsschritte erfasst werden.

Der Digitale Produktzwilling ermöglicht es, eine virtuelle Repräsentanz der Produkte zu schaffen, die sich über die komplette Prozesskette der Batteriezellfertigung hinweg dynamisch weiterentwickelt. Auf diese Weise lassen sich alle Informationen zu Materialien, Rahmenbedingungen und Produktionsschritten des Produkts detailliert nachverfolgen. Die Erkenntnisse daraus unterstützen nicht nur eine effektive Qualitätssicherung, sondern erlauben sogar eine systematische Rückkopplung von Qualitätsmerkmalen des Produkts mit bestimmten Produktionsparametern. Auf diese Weise lassen sich Verbesserungspotenziale der Produkte und Prozesse aufdecken und die Produktqualität kann kontinuierlich verbessert werden. Die Digitalen Produktzwillinge ermöglichen es, die Eigenschaften aller beteiligten Zwischenprodukte sowie Prozessdaten vorgelagerter Fertigungsschritte deutlich detaillierter als bisher zu betrachten. Erst durch diese Verknüpfung gelingt es, kontextsensitiv auf das Produktionsumfeld einzuwirken.

Eine Besonderheit beim Digitalen Produktzwilling ist die große Anzahl und Vielfalt der Zwischenprodukte, die untereinander referenziert werden müssen. Dazu zählen die Elektrodenpasten und die Elektrodenrolle für die Anode und Kathode, die im Digitalen Zwilling der Batterie vereint werden.

Der Einsatz digitaler Strategien zur Vorhersage der Produktqualität macht auch bei Halbzeugen aus Faserverbundmaterialien nicht halt. Um die Bearbeitungsprozesse thermoplastischer und duroplastischer Materialien effizienter und nachhaltiger zu gestalten, ist es erforderlich, Produktionsdaten zu erfassen, auszuwerten und optimale Zielparameter zu definieren. Bei dieser Aufgabe lässt sich das digitale Abbild nutzen.

Für die Fertigung von Drucktanks aus Faserverbundwerkstoffen nutzen wir den Digitalen Schatten, um den Produktionsvorgang entlang des Bauteils zu optimieren und die Bauteilqualität sicherzustellen.

Beim thermoplastischen Tapelegen müssen für ein optimales Produktionsergebnis konstante Prozessbedingungen wie eine gleichmäßige Temperaturverteilung vorliegen, damit die Eigenspannungen im Bauteil auf ein Minimum reduziert bleiben. Mithilfe des digitalen Abbilds lassen sich optimierte Tapelegestrategien zur Homogenisierung der Temperatur ableiten. Damit wird die Verarbeitung der thermoplastischen Tapes zu Bauteilen mit höchster Qualität sichergestellt.

Bei Fragen zum Einsatz von einem digitalen Zwilling in der Faserverbundtechnik, wenden Sie sich an Henning Janssen.

Ein Anwendungsbereich des digitalen Zwillings liegt in der Repräsentation von Maschinen und Anlagen in der Produktion. Ein Beispiel dafür ist die Darstellung von Informationen und Daten in einem Dashboard, das als menschlicher Interaktionspunkt dient. Während eines Prozesses werden dadür die Daten direkt in der Maschine erfasst und in einer Zeitseriendatenbank zusammengeführt.

Zusätzlich können 3D-Modelle der Maschine gerendert oder vorgerendert zum Einsatz kommen. Diese Informationen und Daten visualisieren den aktuellen Zustand der Anlagen, der an der SPS-HMI der Maschine selbst oder vor der Maschine stehend abgelesen werden kann. Durch die Verwendung zusätzlicher Informationen über die Einrichtung und den Maschinenprozess können Kennzahlen über die Maschinenleistung und die Stabilität des Maschinenprozesses berechnet werden. So ergibt sich aus einer Reihe verschiedener Daten aus unterschiedlichen Quellen durch gezielte Datenverarbeitungsschritte eine hilfreiche zusammengefasste Darstellung für die Anwenderinnen und Anwender in der Produktion.

Diese einfache Form und Umsetzung des digitalen Zwillings erlaubt bereits essenzielle Live-Rückschlüsse auf das physische Objekt, sodass Prozessparameter – heute noch weitgehend manuell – angepasst werden können. Weiterführende Anwendungsfälle, die auf diesem Anwendungsszenario aufbauen, zählen bereits zu den Predictive und Prescriptive Analytics, so beispielsweise auch die Predictive Maintenance von Verschleißteilen oder die vollautomatisierte, adaptive Prozessführung.

Der Digitale Gebäudezwilling bildet die Informationen ab, die für den Aufbau eines Fabrikgebäudes wichtig sind: Als Datenbasis dienen neben Sensoren und IT-Systemen unter anderem Pläne, Modelle, Zeichnungen, Material- und Lieferantendaten, Umgebungs- und Sensordaten sowie Feld- und Nutzerdaten. Die beiden größten Herausforderungen sind dabei die hohe Anzahl unterschiedlicher Stakeholder im Baubetrieb und die Heterogenität der vorliegenden Datenquellen. Einheiltiche Austauschplattformen können Synergien schaffen und einheitliche Zugriffspunkte sowie Standards zur Verarbeitung von Informationen bereitstellen.

Der Digitale Zwilling kann verschiedene Services für den Anwender bereitstellen: Beispielsweise kann während der Bauphase eines Projekts der Baufortschritts kontinuierlich überwacht werden. Zusätzlich bieten virtuelle Begehungen bereits zu einem frühen Zeitpunkt einen hohen Mehrwert für die Projektpartner. Auch die Optimierung von Planungsständen und die automatische Anpassung von Fabriklayouts und Materialflüssen tragen dazu bei, die realen Bautätigkeiten besser zu organisieren.

Der Fabrikzwilling bietet nicht nur Mehrwert durch einen besseren Informationsaustausch bereits in der Planung, sondern auch durch die virtuellen Begehungen während der Bauphase. Auch während der Nutzung des Gebäudes profitieren die Betreiber durch eine Vielzahl an Möglichkeiten zu einer ganzheitlichen Optimierung der Umgebungsparameter ihrer Produktion, beispielsweise durch eine automatisierte Konditionierung von Rein- und Trockenräumen.