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Digitale Zwillinge – Drei Anwendungsbeispiele

Digitale Zwillinge sollten das Herz der digitalen Transformation eines Unternehmens sein. Sie eignen sich für eine Reihe von Anwendungsfällen während der Produktion, entlang des Produktlebenszyklusses und zu Analyse- und Simulationszwecken. Was das genau bedeutet und wie auch KMUs einen “digital twin” realisieren können, erklären wir in diesem Beitrag.

Dr. Sebastian Heger
Solution Specialist
16.6.2021
·
Lesezeit:
5
min
Abb. 1: Nutzungsmöglichkeiten eines digitalen Zwillings

Die Idee eines digitalen Zwillings (digital twin) wirkt so einfach wie elegant. Physische Objekte werden in digitalen Modellen virtuell abgebildet. Die Datenstrukturen beschreiben die unterschiedlichen Eigenschaften eines Objektes, wie beispielsweise die Form, Beschaffenheit und den Zustand. In komplexeren Ausbaustufen können sogar Verhaltensweisen, Zusammenhänge und (physische) Gesetze in Abhängigkeit zur Umgebung abgebildet und berücksichtigt werden. So entsteht nicht nur ein 3D-Modell, sondern auch ein Verhaltens-, Funktions- und Zustandsmodell. Durch die zunehmende Verfügbarkeit von Sensorik und Gateways werden die digitalen Zwillinge ständig aktualisiert und stellen somit den aktuellen Zustand ihrer realen Geschwister nach. Das Gegenstück muss in der Realwelt jedoch nicht zwangsläufig materiell existieren. Auch immaterielle Zusammenhänge, wie Prozesse, lassen sich in einem digitalen Zwilling abbilden. Das ermöglicht verschiedene Anwendungsfälle.


Vor der Produktion: Komplexität beherrschbar machen

Architekten und Ingenieure nutzen Design- und Konstruktionsmodelle seit jeher um neue Produkte zu entwerfen. Digitale Zwillinge können in der Konstruktionsphase bereits eine Einschätzung über das tatsächliche, physische Verhalten liefern. Verknüpft mit zahlreichen internen und externen Datenquellen kann beispielsweise die Statik eines Gebäudes oder Belastbarkeit einer Maschine simuliert werden, ohne dass ein materielles Gegenstück existieren muss. So können enorme Einsparpotenziale ermöglicht werden, in dem Prototypen bereits in der Konstruktionsphase getestet und weiterentwickelt werden. Erst später werden dann ausgereifte Konzepte in materielle Prototypen umgesetzt. Man spart Kosten für Material und Herstellung.


Im Produktionsprozess: Transparenz und Individualisierung 

Digitale Zwillinge werden heute im Rahmen von Produktions- und Dienstleistungsprozesse eingesetzt. Sie erlauben in erster Linie Transparenz.  Die virtuellen Abbilder enthalten alle Information zur Identifikation, Lokalisierung und dem jeweiligen Zustand einzelner Produktionsgüter sowie beteiligter Maschinen. Es ist jederzeit ersichtlich, welche Wertschöpfungsschritte bereits abgeschlossen sind und welche noch ausstehen. So entsteht Transparenz über Fertigungsparameter und Durchlaufzeiten. Produktions- und Lieferzeiten können genauer prognostiziert, Bottlenecks im Prozess erkannt und Prozessverbesserungen implementiert werden. Wartungsintervalle können besser vorhergesagt oder bei einem unerwarteten Stillstand die Fehleranalyse gestartet werden, ohne vor Ort sein zu müssen.

Mit Hilfe digitaler Zwilling können die physischen Grenzen der Unternehmen durchbrochen werden und vernetzte Wertschöpfungssysteme entstehen. Smarte Geräte in den Prozessen der beteiligten Unternehmen aktualisieren ihre virtuellen Abbilder ständig und erlauben transparente Wertschöpfungsketten. Unternehmen können Einblicke in vorangegangene Wertschöpfungsschritte gewinnen und beispielsweise die Herkunft und Qualität eingesetzter Rohstoffe kontrollieren. Sollte beispielsweise dem Vertrieb auffallen, dass die Qualität eines Produktes nicht den erwarteten Kriterien entspricht, kann die Ursache in der gesamten Wertschöpfungskette versteckt sein.  Die Transparenz durch digitale Zwillinge ermöglicht eine effiziente Analyse im virtuellen Abbild des Wertschöpfungsnetzwerks. 

Darüber hinaus können Unternehmen auch Wissen über die Nutzung ihrer (vernetzten) Produkte im weiteren Wertschöpfungsprozess erlangen. Diese wertvollen Daten über den Einsatz und Anwendung der Produkte sind bis heute kaum in Unternehmen vorhanden.


Entlang des Produktlebenszyklus: Begleiter und Grundlage smarter Produkte

Mit dem Ende der Produktions- und Vertriebsprozesse verlieren Unternehmen häufig den Kontakt zu den eigenen Produkten. Ist ein Produkt verkauft, kann Wissen über das Nutzungsverhalten kaum noch gewonnen werden. Lediglich im Rahmen von Serviceprozessen entsteht punktueller Kontakt.

Mit Hilfe zunehmend vernetzter Produkte (IoT) und den digitalen Zwillingen kann das Verhalten und der Zustand der eigenen Produkte kontinuierlich ausgewertet werden. Die virtuellen Modelle werden dabei mit Daten ihrer materiellen Geschwister aktualisiert. Mit diesem Wissen lassen sich beispielsweise Rückschlüsse für die Service- und Vertriebsprozesse gewinnen. Die Geschäftsprozesse können effizienter und zielgerichteter gestaltet werden. Unternehmen können ihre Kunden proaktiv ansprechen und beratend zur Seite stehen. Zudem lassen sich Aufwände für Wartung und Reparatur vermeiden, wenn sich Fehlerdiagnose und ggf. sogar die Behebung remote ausführen lassen. 

Darüber hinaus können Unternehmen mittels des gewonnenen Wissens auch die Customer Experience über den Verkaufszeitpunkt hinaus steuern. Durch Einblicke in das tatsächliche Nutzungsverhalten ihrer Kunden können Unternehmen zielgerichtet neue Features entwickeln und zur Verfügung stellen. 

Die Daten der Zwillinge sind aber nicht nur während des Produktlebens nützlich. Auch am Ende des Produktlebens kann das enthaltene Wissen hilfreich sein. Materielle Produkte bestehen heutzutage häufig aus einer Vielzahl von Materialien, die nach dem Ende der Nutzung recycelt werden müssen. Beispielsweise Elektronikprodukte oder Fahrzeuge in Leichtbauweise (CFK, etc.). Dann ist es von Vorteil, wenn Wissen über die Zusammensetzung und Verarbeitung des Produkts im Rahmen der Recyclingprozesse zur Verfügung steht. So kann beispielsweise die nachhaltige Rückgewinnung  von seltenen Erden wirtschaftlich werden. 


Digitale Zwillinge in der Praxis: keep it simple

Das Einsatzgebiet von digitalen Zwillingen ist nicht beschränkt. Es reicht von vernetzten Produkten im B2C-Umfeld bis hin zu komplexen Abbildern ganzer Wertschöpfungsketten im B2B-Umfeld. Egal ob in der Industrie, dem Handel, im Dienstleistungssektor, öffentlichen Einrichtungen oder sogar im Gesundheitswesen.

In der Praxis müssen die Modelle komplexe Zustände, Verhaltensweisen und Abhängigkeiten richtig abbilden. Ansonsten entstehen falsche Ergebnisse, ungewolltes Verhalten und letztlich unnötige Kosten. Deshalb sollten Unternehmen mit einfachen Modellen beginnen und diese sukzessive weiterentwickeln. Keep it simple, heißt die Devise.

Public Cloud Anbieter, wie beispielsweise Microsoft Azure, bieten auch kleinen und mittleren Unternehmen einfache und kostengünstige Möglichkeiten, um den Einstieg in die Welt der digitalen Zwillinge zu ermöglichen. Azure Digital Twins ist eine IoT-Plattform, die eine generische Modellierungssprache bereitstellt um reale Dinge oder Geschäftsprozesse digital nachzubilden. Die Plattform ermöglicht zudem die Modellierung von Abhängigkeiten und Zusammenhängen in der realen Welt. Durch die Anbindung der materiellen Geschwister (IoT-Geräte) und bestehender Softwaresysteme, wie zum Beispiel der unternehmenseigenen ERP-Software, können die Modelle ständig aktualisiert werden. 

IoT-Plattformen, wie Azure Digital Twins, bieten einen vergleichsweise einfachen und unkomplizierten Einstieg in das Thema. Der digitale Zwilling sollte das Herzstück einer digitalen Transformation in einem Unternehmen sein. Doch ohne sinnvolle Anwendungsfälle bieten die virtuellen Abbilder keinen Mehrwert. Azure Digital Twins bringt deshalb erste Auswertungsmöglichkeiten direkt auf der Plattform mit. Offene Schnittstellen ermöglichen zudem die tiefergehende Integration der Plattform in zukunftsfähige IoT-, Cloud- und App-Lösungen.

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Dr. Sebastian Heger
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