Digitale Zwillinge in der Fertigung:Anwendungen, Vorteile und Herausforderungen

Eine Infrastruktur der Enterprise-Klasse kann die Effektivität von Digital-Twin-Initiativen verbessern und innovative Anwendungen ermöglichen.

Digitale Zwillinge bieten Herstellern neue Möglichkeiten, Produkte und Anlagen zu entwerfen, zu überwachen und zu verwalten. Während es das grundlegende Konzept des digitalen Zwillings schon seit über einem Jahrzehnt gibt, machen die jüngste Einführung und der breite Einsatz von Konnektivitätstechnologien und -diensten wie Edge Compute, dem Internet der Dinge (IoT) und 5G digitale Zwillinge jetzt für industrielle Anwendungen praktikabel .

Wie bei der Verwendung jeder neuen Technologie in kommerziellen Umgebungen gibt es jedoch Herausforderungen zu überwinden, Anwendungsfälle zu definieren, Best Practices zu lernen und den Wert der Verwendung digitaler Zwillinge für das Unternehmen zu demonstrieren. Um diese und andere Probleme zu klären, setzte sich RTInsights mit ToddEdmunds, Director Industrial IoT and Edge Strategy bei Dell Technologies, zusammen.

Wir haben untersucht, warum es ein großes Interesse an digitalen Zwillingen für die Fertigung gibt, die Grundlagentechnologien, die Anwendungsfälle, Hindernisse und den Einstieg in die Nutzung digitaler Zwillinge diskutiert.

Siehe auch: Zentrum für Edge-Computing und 5G

Digitale Zwillinge in der Fertigung

RTInsights: Was sind digitale Zwillinge und warum besteht das Interesse daran, sie in der Fertigung einzusetzen?

Edmunds: Digitale Zwillinge sind virtuelle Kopien tatsächlicher physischer Objekte, Systeme oder Organisationen. Und wenn Sie sie mit Echtzeitdaten kombinieren, können sie wertvolle Einblicke in den Betrieb dieses Objekts, Systems oder dieser Organisation liefern. In der Fertigung kann es mehrere verschiedene Arten von digitalen Zwillingen geben, aber die Industrie versucht immer noch, sich auf eine Bezeichnung zu einigen. Beginnen wir mit operativen digitalen Zwillingen. Mit operativen digitalen Zwillingen können Sie die Frage stellen und beantworten:Was ist jetzt los? Zum Beispiel, was mit den Robotern in meiner Fabrik passiert. Mit einem solchen digitalen Zwilling kann sich auch ein Hersteller die Frage stellen:Was soll ich jetzt in meiner Fabrik machen? Sollte ich bei diesen Robotern vorausschauende Wartung durchführen? Wie kann ich diesen digitalen Zwilling verwenden, um längerfristige Qualitätsmetriken in Bezug auf die von mir hergestellten Produkte zu betrachten?

Dann gibt es die nächste Generation des digitalen Zwillings, der ein übergeordneter Simulationszwilling ist. Es lässt Sie die Frage stellen und beantworten, was wäre wenn? Was ist, wenn ich die Geschwindigkeit meiner Linie um 25 Prozent erhöhe? Werden die Roboter und andere Anlagen dieser Fertigungslinie vorzeitig ausfallen? Und wenn ja, würde sich das lohnen, weil ich sofort mehr Produktion aus meiner Fabrik herausholen kann, was trotz der gestiegenen Reparaturkosten zu höheren Gewinnspannen führt? Diese umfassenden digitalen Zwillinge der nächsten Generation haben nahezu unbegrenzte Möglichkeiten in Industrie 4.0, intelligenter Fertigung und industriellen IoT-Anwendungen.

Wenn Sie über den richtigen digitalen Zwilling und die richtige Infrastruktur verfügen, um diesen digitalen Zwilling zu hosten, können fast alle Industrie 4.0-Anwendungsfälle und alle Effizienzen, die Sie mit den neuesten Smart-Manufacturing-Initiativen erzielen können, in dieser digitalen Zwillingsimplementierung kombiniert werden. Hier kommt der wahre Wert ins Spiel – eine einzige Lösung, die vorausschauende Wartung, Fabriktransparenz, Analytik und künstliche Intelligenz und sogar Augmented Reality und Virtual Reality kombiniert. Stellen Sie sich einen Betriebsleiter vor, der in der Lage wäre, virtuell durch die Fertigungshalle zu gehen und sofort zu sehen, was in der gesamten Anlage und sogar in jedem Gerät wie Robotern oder Maschinen vor sich geht.

EnablingTechnologies

RTInsights: Welche Basistechnologien werden benötigt, um digitale Zwillinge zu nutzen?

Edmunds: Edge Computing – Rechenleistung näher an den Ort zu bringen, an dem Daten produziert und verarbeitet werden – ist derzeit das aktuelle heiße Thema in der gesamten Branche, da Unternehmen versuchen, schnellere Entscheidungen zu treffen und ihre Cloud-Ausgaben zu reduzieren. Es ist auch eine effiziente Möglichkeit, die für digitale Zwillinge erforderlichen Technologien zu implementieren. Insbesondere für Fertigung und Industrie gibt es zwei Arten von Edge-Computing, die für die Bereitstellung digitaler Zwillinge sehr hilfreich sind.

Die erste ist das Computing am industriellen Rand . Der industrielle Vorsprung umfasst gehärtete Geräte, die auf dem Werksboden stehen und in den extremen Temperaturen, starken Vibrationen und rauen Umgebungen betrieben werden können, die Sie in den meisten Produktionsstätten finden. Industrielles Edge-Computing wird verwendet, um sich mit Geräten in der Fertigungshalle zu verbinden und Daten aus diesen herauszuziehen, die ihre Daten nicht so einfach teilen. Beispielsweise benötigt ein digitaler Zwilling eines Roboters einen konstanten Fluss von Statusdaten in Echtzeit, um seine Genauigkeit und seinen Betriebswert aufrechtzuerhalten. Industrialedge-Computergeräte würden verwendet, um die relevanten Steuerungs-, Sensor- und Umgebungsinformationen aufzunehmen und zu verarbeiten.

Die zweite Art von Edge Computing, die dafür entscheidend ist, ist der Enterprise Edge . Manchmal auch als „Thick Edge“ bezeichnet, handelt es sich um eine lokale Rechen-, Speicher- und Netzwerkinfrastruktur der Enterprise-Klasse, die benötigt wird, um die Daten und Workloads zu bewältigen, die für die Implementierung eines echten digitalen Zwillings erforderlich sind. Wenn Sie an die Hunderte oder Tausende von Betriebsanlagen in einer großen Fabrik denken, werden auf keinen Fall alle Daten, die für die Implementierung so vieler digitaler Zwillinge erforderlich sind, ausschließlich in der Cloud gespeichert. Bandbreitenanforderungen, Latenzbeschränkungen, Sicherheitsrichtlinien, Datenvolumen, Souveränitätsprobleme und die erheblichen Kosten für die Übertragung all dieser Daten in die und aus der Cloud werden zu unerschwinglich sein.

Daher ist eine lokale Infrastruktur auf Unternehmensniveau unerlässlich, um die Daten und Arbeitslasten für die Vielzahl digitaler Zwillinge zu bewältigen, die in der Fabrik sein werden. Und wenn Sie 5G und die bevorstehende Wi-Fi6-Konnektivität hinzufügen, macht es diese Art von verteilter Edge-Computing-Architektur viel einfacher, die neuen Informationsströme zu erschließen und zu nutzen, die durch diese neuartigen Technologien ermöglicht werden.

DigitalTwin-Vorteile

RTInsights: Wie werden digitale Zwillinge in der Fertigung eingesetzt und was sind ihre Vorteile?

Edmunds: Es gibt drei große Kategorien, und ich gebe Ihnen am Ende ein paar Beispiele. Erstens können digitale Zwillinge Einblicke in das End-to-End-Design und die Konstruktion eines Produkts geben. Ein Hersteller kann eine virtuelle Produktentwicklungsumgebung erstellen, in der alle Informationen über das Produkt an einem Ort aufbewahrt werden, wodurch die Datensiloprobleme gelöst werden können, die typischerweise in Fertigungsunternehmen bestehen.

Eine weitere Verwendung für einen digitalen Zwilling in der Fertigung besteht darin, einen Einblick in den aktuellen Status und die Bedingungen eines hochwertigen Produktionsguts zu geben. Sie können einen digitalen Zwilling verwenden, um den Echtzeitstatus und die Trends des Guts und seine Auswirkungen zu überwachen und darauf zu reagieren den Gesamtbetrieb der Fabrik. Durch die Anwendung von Analysen und KI kann der digitale Zwilling verwendet werden, um vorherzusagen, wann die Anlage während der Produktion ausfallen könnte, und um die Wartung während normaler Ausfallzeiten zu planen, bevor sie sich auf die Durchsatzmetriken auswirkt.

Und dann gibt es die Anwendungen der nächsten Generation, die dritte Kategorie eines digitalen Zwillings, die Ihnen Einblicke in zukünftige Entscheidungen gibt. Solche digitalen Zwillinge würden KI und Analysen auf höherer Ebene anwenden, um die Funktionalität Ihrer Assets zu optimieren. Sie würden auch Kosten, Wartungszeit und Ausfallzeiten reduzieren. Beispielsweise konnte McLaren, das berühmte Formel-1-Rennteam (F1), die Zeit für den Bau seines F1-Rennwagens mithilfe von Digitaltwin-Funktionen von normalerweise 42 Monaten auf 24 Monate verkürzen. Durch die Anwendung der gleichen Digital-Twin-Technologien war es ihnen auch möglich, ihr Serien-Hypercar P1 in der Hälfte der Zeit und zur Hälfte der Kosten des typischen Industriestandards zu entwickeln.

Ein weiteres Beispiel wird für das US-Militär entwickelt, um digitale Zwillinge zu verwenden, um verschiedene Iterationen von Militärfahrzeugen zu bauen, um die Überlebensfähigkeit dieser Fahrzeuge zu optimieren und zu testen. Digital-Twin-Technologien ermöglichen die Simulation, wie die Fahrzeuge unter Hunderten oder Tausenden von verschiedenen Angriffsszenarien funktionieren könnten, und simulieren, an mehreren Orten von verschiedenen Arten von Kampfmitteln getroffen zu werden. Mithilfe eines digitalen Zwillings können sie ein viel sichereres und überlebensfähigeres Fahrzeug bauen.

DigitalTwin-Herausforderungen

RTInsights: Was sind die Herausforderungen bei der Bereitstellung und Nutzung digitaler Zwillinge?

Edmunds: Digitale Zwillinge benötigen eine Infrastruktur der Enterprise-Klasse, um die Daten und Workloads zu bewältigen. Diese Unternehmensinfrastruktur muss auf Sicherheit, Skalierbarkeit und Zuverlässigkeit ausgelegt sein. Sobald Sie den Wert der Daten des digitalen Zwillings erkennen, werden Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit entscheidend sein, und das erfordert eine Investition in die richtige Infrastruktur im Voraus. Dies führt zu der Notwendigkeit, die Initiativen für digitale Zwillinge mit dem höchsten Wert zu identifizieren und den ROI zu quantifizieren, um den Wert der Implementierung der effizientesten Architektur zu rechtfertigen. Auf diese Weise kann der digitale Zwilling von Anfang an korrekt und mit der richtigen Infrastruktur auf Unternehmensebene implementiert werden, die für die Skalierung erforderlich ist.

Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass sich der heutige digitale Zwilling in einer ziemlich neuen Phase befindet, ein ziemlich neues Konzept. Es gibt seit Jahrzehnten digitale Zwillinge, aber sie sind noch nicht so weit, dass wir uns diese exakte Nachbildung eines gesamten Systems, eines Systems von Systemen oder von Anlagen in der Produktionshalle ansehen. Das ist die Richtung, in die sich die Branche bewegt, wo einige der Top-Unternehmen darum kämpfen, die Software und die Anwendungen zu entwickeln, die diesen echten digitalen Zwilling implementieren können. Noch ist niemand so weit. Es gibt viele sehr gute Unternehmen und sehr gute Anwendungen, die mit verschiedenen Teilen dieses digitalen Zwillings-Ökosystems umgehen können. Aber es gibt noch keine End-to-End-Einzellösung für digitale Zwillinge.

Erste Schritte mit digitalen Zwillingen

RTInsights: Wie starten Unternehmen mit digitalen Zwillingen?

Sie müssen den Wert und das Ziel, das Sie mit dem digitalen Zwilling erzielen möchten, betrachten und bereit sein, in die Infrastruktur zu investieren. Sie müssen nicht mit einer vollständigen End-to-End-Infrastruktur beginnen, um dies zu erreichen. Die Infrastruktur muss jedoch so konzipiert sein, dass sie breit und tief skaliert werden kann, um die Daten- und Computerarbeitslasten zu bewältigen, die zur Erstellung des digitalen Zwillings erforderlich sind, um die Kapitalrendite zu erzielen.

Sie können also mit einer ersten digitalen Zwillingsimplementierung klein anfangen. Mit der richtigen Infrastruktur können Sie darüber hinaus mehrere digitale Zwillinge hinzufügen und auf Hunderte oder sogar Tausende verschiedener digitaler Zwillinge aller erdenklichen Typen skalieren.

Eine andere Einstiegsmöglichkeit ist die Beteiligung am sich schnell entwickelnden Digitaltwin-Ökosystem. Eines der besten ist das Digital Twin Consortium. Das DigitalTwin Consortium ist eine kollaborative Organisation, die die Innovation der Digitaltwin-Technologie vorantreibt und von Dell Technologies, Ansys, GE, Microsoft und Lendlease gegründet wurde und einige der führenden Technologieakteure innerhalb und außerhalb des industriellen IoT- und Industrie 4.0-Bereichs umfasst. Das Digital Twin Consortium verfügt über eine Fertigungsarbeitsgruppe sowie branchenorientierte Gruppen für Infrastruktur und Gebäude, natürliche Ressourcen sowie Luft- und Raumfahrt und Verteidigung. Das Konsortium steht jedem offen, der mitmachen möchte. Der Beitritt ist eine großartige Möglichkeit, um mehr über digitale Zwillinge und darüber zu erfahren, was andere Unternehmen mit digitalen Zwillingen tun, und um die Zukunft der Terminologie, Technologie und Taxonomie für digitale Zwillinge und ihre Möglichkeiten zu gestalten.