Digital Twins in der Fertigung nutzen: Vorteile, Anwendungen und Herausforderungen

Eine Enterprise-Class-Infrastruktur kann die Effektivität von Digital-Twin-Initiativen steigern und innovative Anwendungen ermöglichen.

Digital Twins geben Herstellern neue Wege, Produkte und Anlagen zu designen, zu überwachen und zu managen. Während das grundlegende Digital-Twin-Konzept seit über einem Jahrzehnt existiert, machen die jüngste Einführung und breitflächige Nutzung von Konnektivitätstechnologien und -diensten wie Edge Compute, Internet of Things (IoT) und 5G Digital Twins nun für industrielle Anwendungen praktisch.

Doch wie bei der Nutzung jeder neuen Technologie in kommerziellen Umgebungen gibt es Herausforderungen zu überwinden, Use Cases zu definieren, Best Practices zu lernen und die Notwendigkeit, den Wert der Digital-Twin-Nutzung für das Geschäft zu demonstrieren. Um diese und andere Fragen zu klären, sprach RTInsights mit Todd Edmunds, Director Industrial IoT and Edge Strategy bei Dell Technologies.

Wir untersuchten, warum es großes Interesse an Digital Twins für die Fertigung gibt, diskutierten die Enabling-Technologien, die Use Cases, Hindernisse und wie man mit Digital Twins startet.

Siehe auch: Center for Edge Computing and 5G

Digital Twins in der Fertigung

RTInsights: Was sind Digital Twins, und warum das Interesse an ihrer Nutzung in der Fertigung?

Edmunds: Digital Twins sind virtuelle Kopien tatsächlicher physischer Objekte, Systeme oder Organisationen. Und wenn man sie mit Echtzeitdaten kombiniert, können sie wertvolle Einblicke in den Betrieb dieses Objekts, Systems oder dieser Organisation liefern. In der Fertigung kann es mehrere verschiedene Arten von Digital Twins geben, aber die Branche versucht immer noch, sich auf die Bezeichnungen zu einigen. Fangen wir mit operativen Digital Twins an. Operative Digital Twins lassen Sie die Frage stellen und beantworten: Was passiert jetzt? Zum Beispiel: Was passiert mit den Robotern in meiner Fabrik. Mit dieser Art von Digital Twin kann ein Hersteller auch die Frage stellen: Was sollte ich jetzt in meiner Fabrik tun? Sollte ich vorausschauende Wartung an diesen Robotern durchführen? Wie kann ich diesen Digital Twin nutzen, um langfristige Qualitätsmetriken in Bezug auf die Produkte zu betrachten, die ich produziere?

Dann gibt es die nächste Generation von Digital Twins, nämlich einen höheren Simulations-Zwilling. Er lässt Sie die Frage stellen und beantworten: Was wäre, wenn? Was wäre, wenn ich die Geschwindigkeit meiner Linie um 25 Prozent erhöhe? Werden die Roboter und anderen Assets auf dieser Fertigungslinie vorzeitig ausfallen? Und wenn ja, wäre es das wert, weil ich jetzt mehr Produktion aus meiner Fabrik herausholen kann, was zu höheren Gewinnmargen führt, trotz erhöhter Reparaturkosten? Diese nächsten-Generation, umfassenden Digital Twins haben fast grenzenlose Möglichkeiten in Industry 4.0, Smart Manufacturing und Industrial IoT Anwendungen.

Wenn Sie den richtigen Digital Twin und die richtige Infrastruktur haben, um diesen Digital Twin zu hosten, kann fast jeder einzelne Industry-4.0-Use-Case, all die Effizienzen, die Sie mit den neuesten Smart-Manufacturing-Initiativen realisieren können, in diese Digital-Twin-Implementierung kombiniert werden. Hier kommt der echte Wert – eine einzige Lösung, die vorausschauende Wartung, Fabriktransparenz, Analytik und künstliche Intelligenz, und sogar Augmented Reality und Virtual Reality kombiniert. Stellen Sie sich einen Werksleiter vor, der virtuell durch den Fertigungsboden laufen und sofort sehen kann, was im gesamten Werk und sogar in jedem einzelnen Gerät wie Robotern oder Maschinen vor sich geht.

Enabling-Technologien

RTInsights: Welche Enabling-Technologien werden benötigt, um Digital Twins zu nutzen?

Edmunds: Edge Computing – Rechenleistung näher dorthin zu bringen, wo Daten produziert und verarbeitet werden – ist das aktuelle heiße Thema in der Branche, da Organisationen schnellere Entscheidungen treffen und ihre Cloud-Ausgaben reduzieren wollen. Es ist auch ein effizienter Weg, die für Digital Twins erforderlichen Technologien zu implementieren. Speziell für Fertigung und Industrie gibt es zwei Arten von Edge Computing, die für das Deployen von Digital Twins sehr hilfreich sind.

Die erste ist Computing am industriellen Edge. Der industrielle Edge umfasst gehärtete Geräte, die auf dem Shopfloor sitzen und in den extremen Temperaturen, hohen Vibrationen und rauen Umgebungen operieren können, die man in den meisten Fertigungsanlagen findet. Industrial Edge Compute wird genutzt, um sich mit Shopfloor-Geräten zu verbinden und Daten daraus zu ziehen, die ihre Daten nicht einfach teilen. Ein Digital Twin eines Roboters benötigt beispielsweise einen konstanten Fluss von Echtzeit-Statusdaten, um seine Genauigkeit und operativen Wert zu erhalten. Industrial-Edge-Compute-Geräte würden genutzt, um relevante Steuerungs-, Sensor- und Umgebungsinformationen zu erfassen und zu verarbeiten.

Die zweite Art von Edge Computing, die dafür kritisch ist, ist der Enterprise Edge. Manchmal als „Thick Edge“ bezeichnet, ist es eine On-Premises-, Enterprise-Grade-Compute-, Storage- und Netzwerk-Infrastruktur, die benötigt wird, um die Daten und Workloads zu handhaben, die für die Implementierung eines echten Digital Twins erforderlich sind. Wenn man an die Hunderte oder Tausende von Shopfloor-Assets in einer großen Fabrik denkt, gibt es keine Möglichkeit, dass alle Daten, die für die Implementierung so vieler Digital Twins erforderlich sind, ausschließlich in der Cloud gespeichert werden. Bandbreitenanforderungen, Latenzbeschränkungen, Sicherheitsrichtlinien, Datenvolumen, Souveränitätsfragen und die erheblichen Kosten für die Übertragung all dieser Daten zu und von der Cloud werden allesamt zu prohibitiv sein.

Eine On-Premises-, Enterprise-Grade-Infrastruktur wird also essenziell sein, um die Daten und Workloads für die Vielzahl von Digital Twins zu handhaben, die in der Fabrik sein werden. Und wenn man 5G und kommende Wi-Fi-6-Konnektivität hinzufügt, macht diese Art von verteilter Edge-Compute-Architektur es viel einfacher, in die neuen Informationsströme einzusteigen, die durch diese neuartigen Technologien ermöglicht werden.

Digital-Twin-Vorteile

RTInsights: Wie werden Digital Twins in der Fertigung genutzt, und was sind ihre Vorteile?

Edmunds: Es gibt drei breite Kategorien, und ich gebe Ihnen am Ende ein paar Beispiele. Erstens können Digital Twins Einblicke in das End-to-End-Design und Engineering eines Produkts geben. Ein Hersteller kann eine virtuelle Produktentwicklungs-Umgebung erstellen, die alle Informationen über das Produkt an einem Ort hält, was die Datensilo-Probleme lösen kann, die typischerweise in Fertigungsorganisationen existieren.

Ein weiterer Einsatz für einen Digital Twin in der Fertigung ist, Einblicke in den aktuellen Status und die Bedingungen eines hochwertigen Produktionsassets zu geben. Sie können einen Digital Twin nutzen, um den Echtzeit-Status und Trends des Assets zu überwachen und darauf zu reagieren und wie es den Gesamtbetrieb der Fabrik beeinflusst. Durch Anwenden von Analytik und KI kann der Digital Twin genutzt werden, um vorherzusagen, wann das Asset während der Produktion ausfallen könnte, und Wartung während normaler Ausfallzeiten zu planen, bevor es Durchsatzmetriken beeinflusst.

Und dann gibt es die Next-Generation-Nutzung, jene dritte Kategorie eines Digital Twins, die Ihnen Einblicke in zukünftige Entscheidungen gibt. Solche Digital Twins würden höherstufige KI und Analytik anwenden, um die Funktionalität Ihrer Assets zu optimieren. Sie würden auch Kosten, Wartungszeit und Ausfallzeiten reduzieren. Beispielsweise konnte McLaren, das berühmte Formel-1-Rennteam, die Zeit zum Bau ihres F1-Rennwagens von typischerweise 42 Monaten auf 24 Monate reduzieren, indem sie Digital-Twin-Fähigkeiten nutzten. Durch Anwendung derselben Digital-Twin-Technologien konnten sie auch ihren Produktions-P1-Hypercar in der halben Zeit und zu halben Kosten des typischen Branchenstandards entwickeln.

Ein weiteres Beispiel wird für das US-Militär entwickelt, um Digital Twins zu nutzen, um verschiedene Iterationen von Militärfahrzeugen zu bauen, um die Überlebensfähigkeit dieser Fahrzeuge zu optimieren und zu testen. Digital-Twin-Technologien erlauben die Simulation, wie die Fahrzeuge unter hunderten oder tausenden verschiedenen Angriffsszenarien performen könnten und simulieren, von verschiedenen Arten von Munition an mehreren Orten getroffen zu werden. Die Nutzung eines Digital Twins lässt sie ein viel sichereres, viel überlebensfähigeres Fahrzeug bauen.

Digital-Twin-Herausforderungen

RTInsights: Was sind die Herausforderungen beim Deployen und Nutzen von Digital Twins?

Edmunds: Digital Twins benötigen eine Enterprise-Grade-Infrastruktur, um die Daten und Workloads zu handhaben. Diese Enterprise-Infrastruktur muss um Sicherheit, Skalierbarkeit und Zuverlässigkeit herum designed sein. Sobald man den Wert der Digital-Twin-Daten sieht, werden Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit entscheidend sein, und das erfordert eine Investition in die richtige Infrastruktur im Vorfeld. Das führt zur Notwendigkeit, die wertvollsten Digital-Twin-Initiativen zu identifizieren und ROI zu quantifizieren, um den Wert der Implementierung der effizientesten Architektur zu rechtfertigen. So kann der Digital Twin initial korrekt und mit der richtigen Enterprise-Grade-Infrastruktur implementiert werden, die zum Skalieren nötig ist.

Eine weitere Herausforderung ist, dass der heutige Digital Twin in einer ziemlich neuen Phase ist, ein recht neues Konzept. Es gab Digital Twins seit Jahrzehnten, aber sie sind nicht wirklich an dem Punkt, wo wir uns diese exakte Replik eines gesamten Systems, Systems von Systemen oder Assets auf dem Shopfloor ansehen. Das ist der Weg, wohin die Branche geht, wo einige der Top-Unternehmen rennen, um die Software und die Applikationen zu bauen, die diesen echten Digital Twin implementieren können. Noch ist niemand ganz dort. Es gibt viele sehr gute Unternehmen und sehr gute Applikationen, die verschiedene Teile dieses Digital-Twin-Ökosystems handhaben können. Aber es gibt noch keine End-to-End-, einzelne ultimative Lösung für Digital Twins.

Mit Digital Twins starten

RTInsights: Wie fangen Unternehmen an, Digital Twins zu nutzen?

Sie müssen den Wert betrachten, das Ziel, das Sie vom Digital Twin gewinnen wollen, und bereit sein, in die Infrastruktur zu investieren. Sie müssen nicht mit einer vollständigen End-to-End-Infrastruktur beginnen, um das zu erreichen. Die Infrastruktur muss jedoch so designed sein, dass sie breit und tief skalieren kann, um die Daten und Computer-Workloads zu handhaben, die notwendig sind, um den Digital Twin so zu erstellen, dass der Return on Investment realisiert wird.

So können Sie klein anfangen mit einer initialen Digital-Twin-Implementierung. Die richtige Infrastruktur lässt Sie mehrere Digital Twins darauf aufbauen und auf Hunderte oder sogar Tausende verschiedener Digital Twins jeden vorstellbaren Typs skalieren.

Ein weiterer Weg, um zu starten, ist, sich im sich rasant entwickelnden Digital-Twin-Ökosystem zu engagieren. Eines der besten ist das Digital Twin Consortium. Das Digital Twin Consortium ist eine kollaborative Organisation, die Innovation der Digital-Twin-Technologie vorantreibt und wurde von Dell Technologies, Ansys, GE, Microsoft und Lendlease gegründet und umfasst einige der führenden Technologie-Player innerhalb und außerhalb des Industrial IoT und Industry 4.0 Bereichs. Das Digital Twin Consortium hat eine Manufacturing-Arbeitsgruppe sowie branchenspezifische Gruppen für Infrastruktur und Gebäude, natürliche Ressourcen sowie Luft- und Raumfahrt und Verteidigung. Das Konsortium ist für jeden offen, der beitreten möchte. Beizutreten ist eine großartige Möglichkeit, über Digital Twins zu lernen und was andere Unternehmen mit Digital Twins machen, und die Zukunft der Terminologie, Technologie und Taxonomie für Digital Twins und was sie sein können, zu gestalten.