Der digitale Zwilling verspricht eine schnellere Markteinführung neuer Produkte sowie eine deutliche Kostenreduktion bei deren Entwicklung. Bevor Unternehmen jedoch von diesen Vorzügen profitieren können, müssen diese zunächst ihre Prozesse optimieren. Wieso, verraten vier Experten in unserer Umfrage.

Es wird viel über den digitalen Zwilling gesprochen. Allerdings zeigt die Praxis, dass es nicht den digitalen Zwilling gibt, sondern vielmehr verschiedene digitale Zwillinge, die jeweils spezifische Aufgaben adressieren. Daher lautet die erste Frage an die Experten, wie sie in ihren Unternehmen den Begriff «Digitaler Zwilling» definieren?

«Digitaler Zwilling» - die Definition(en)

«Ein Digitaler Zwilling ist das Abbild des physischen Assets in der realen Fabrik und erlaubt dessen Simulation, Steuerung und Optimierung», bringt es Beat Meili auf einen kurzen Nenner. Die Aufschlüsselung dieser Kurzdefinition liefert Christian Haltiner: «Während 3D-Modelle starr Produkte, Maschinen oder Anlagen abbilden, umfasst der digitale Zwilling auch deren Eigenschaften und Funktionen und ist damit ein virtuelles Abbild der Realität.» Zwar basiere er auf einem 3D-Modell aus CAD-Daten, so Haltiner, ihm seien aber zusätzliche Parameter zugeordnet, die sein Verhalten bestimmten. So könne in einer computergestützten Simulationsumgebung virtuell getestet werden, wie sich ein Produkt, eine ganze Fertigung oder sogar eine Stadt unter realen Bedingungen verhalten wird.

Einhundertprozentige digitale Beschreibung eines Produktes

«Wir bezeichnen als digitalen Zwilling die einhundertprozentige digitale Beschreibung eines Produktes», ergänzt Thomas Weichsel. Dazu werden nach seiner Definition die in CAE-Systemen generierten Daten von Planungsschritt zu Planungsschritt unter früher Einbeziehung von Informationen aus dem ERP-System sowie den Simulations-, Kalkulations- und Validierungsprogrammen angereichert. «Das Ergebnis ist eine virtuelle Produktbeschreibung, die alle Daten für Materialmanagement, Fertigung, Montage und Betrieb sowie Service beinhaltet und diese Daten für jeden relevanten Prozessschritt in der erforderlichen Tiefe bereitstellt.»

Verknüpfung verschiedener Zwillinge

Nach Erklärung von Michael Hausdorf gestattet es der digitale Zwilling, die komplette Wertschöpfungskette eines produzierenden Unternehmens in die virtuelle Welt zu transformieren. Es gehe dabei nicht nur darum, einzelne Teile virtuell abzubilden, sondern alle Elemente der Produktion zu digitalisieren. «Dazu braucht es einen digitalen Zwilling des Produkts, einen der Produktion und einen der Performance», sagt er. Wichtig sei hierbei die Verknüpfung dieser verschiedenen Zwillinge. Erst wenn über diese Daten ausgetauscht und die Erkenntnisse daraus in der realen Welt schnell umgesetzt würden, entstehe ein echter Mehrwert.

Voraussetzungen für den Einstieg

Einige Unternehmen konnten bereits erste Erfahrungen mit dem digitalen Zwilling sammeln. Was raten aber die Experten den Firmen, die in die Thematik einsteigen wollen? «Die absolute Grundvoraussetzung ist ein zu einhundert Prozent digitalisiertes Engineering», sagt Thomas Weichsel. Weshalb dies entscheidend ist, erklärt Michael Hausdorf: «Die Implementierung eines digitalen Zwillings ändert ganze Prozesse und Arbeitsabläufe. Daher ist es wichtig, spezifische Anwendungen klar auszuformulieren und in einem Geschäftsmodell zu hinterlegen. Die technischen Lösungen spielen hierbei in einer Architektur zusammen, welche unter dem Aspekt von Nachhaltigkeit und Skalierbarkeit geprüft werden muss.»

Digitaler Zwilling muss ich nahtlos in Digitalisierungsstrategie einfügen

Dass sich der Einsatz eines digitalen Zwillings grundsätzlich für jede Industrie, für jede Unternehmensgrösse und für jedes Produkt lohnt, davon ist Christian Haltiner überzeugt. Allerdings sollte sich der digitale Zwilling dazu nahtlos in die Digitalisierungsstrategie des Unternehmens einfügen. «Und das ist der Knackpunkt», sagt er. Bevor sich ein Unternehmen auf den Weg zur digitalen Transformation mache, sollte es im Vorfeld zunächst eine Ist-Analyse durchführen, um die eigenen Ressourcen und Potenziale zu erkennen sowie um individuelle Ziele zu definieren.

Einstiegspunkt in den digitalen Zwilling

Da der digitale Zwilling die komplette Wertschöpfungskette in die virtuelle Welt transferieren soll, stellt sich natürlich die Frage, bei welchem Glied dieser Kette begonnen werden sollte? «Das spielt aus technischer Sicht keine Rolle: Dort, wo der Leidensdruck unmittelbar ersichtlich und fassbar ist, ist der Nutzen eines digitalen Zwillings am Grössten», sagt Michael Hausdorf. Dabei sei es allerdings wichtig, so Beat Meili, dass ein solches Projekt anhand einer neuen Maschine oder Anlage angegangenen werde: «Dort gibt es keinerlei Altlasten wie Datenleichen, auf die man Rücksicht nehmen muss.» Seine volle Stärke entfalte er dabei insbesondere bei Serienmaschinen, da der zu bewältigende Aufwand im Vorfeld nicht unterschätzt werden dürfe.

Grosse Vorteile in der Konstruktionsphase

Wenn sich kein idealer Einstiegspunkt in den digitalen Zwilling ausmachen lässt, gibt es dann vielleicht innerhalb der Wertschöpfungskette ein Glied, das sich immer lohnt, als solchen abzubilden? Dem scheint nicht so! «Die Nutzung eines digitalen Zwillings lohnt sich zu jedem Zeitpunkt der Wertschöpfungskette, da Szenarien zunächst virtuell getestet werden, bevor sie in die reale Welt übertragen werden», sagt Christian Haltiner. Etwas konkreter wird er dann aber doch: «In der Konstruktionsphase sehen wir, dass Kunden grosse Vorteile erzielen, da sich hier entscheidet, ob ein Produkt im Alltag funktioniert.» Daher lohne es sich gerade an dieser Stelle, bestimmte Einflüsse oder Konstruktionsarten zu simulieren und zu optimieren, bevor reale Prototypen produziert werden.

Dies unterstreicht auch Thomas Weichsel. «Wer frühzeitig Daten für nachgelagerte Prozesse anreichert, der hat enorme Einsparungen im Materialmanagement, in der Fertigungsintegration sowie in der Validierung der Konstruktion», sagt er. In diesem Zusammenhang verweist er auf die bekannte 10er-Regel der Fehlerkosten, die besagt, dass sich die Beseitigung eines Fehlers mit jeder weiteren Stufe innerhalb eines Entstehungsprozesses um Faktor zehn verteuere.

Implementierung eines digitalen Zwillings

Damit die Implementierung eines digitalen Zwillings möglichst reibungslos vonstattengeht, rät Christian Haltiner im ersten Schritt zu einer Bestandsaufnahme, um Schwachstellen in den bestehenden Abläufen zu identifizieren. «Die Digitalisierung eines ungünstigen, analogen Prozesses wird zu keinem zufriedenstellenden Ergebnis führen», warnt er vor einer unbedachten Herangehensweise. Stehe der Kurs fest, gehe es darum, das benötigte Datenmaterial in die digitale Welt zu übertragen, am Prozess beteiligte Mitarbeiter mit der Nutzung vertraut zu machen und letztlich Prozesse und Workflows zu etablieren, die zu den Spezifika des Unternehmens gehörten.

Die Bestandsaufnahme der aktuellen Situation ist auch nach Ansicht von Michael Hausdorf der entscheidende Aspekt beim Einstieg in die Thematik «Digitaler Zwilling»: «Daraus lässt sich nämlich ein geeignetes Projekt mit einem Implementierungsplan definieren.» Aus Sicht von Beat Meili ist es hierbei wichtig, dass Einsteiger auch von den Systemherstellern Unterstützung erfahren, beispielsweise in Form der benötigten, digitalen Daten im richtigen Datenformat.

«Return on Invest» beim Digitalen Zwilling

Die Implementierung eines digitalen Zwillings ist mit einem entsprechenden Zeit- und Kostenaufwand verbunden. Nach welchen Kriterien berechnen nun aber die Experten den ROI? «Dieser wird mit den Kostenersparnissen durch die effizienteren Prozesse berechnet, welche weniger Zeit und Ressourcen brauchen», sagt Michael Hausdorf. Ausserdem zählten Zusatzeinnahmen durch schnellere Durchsätze oder zusätzlichen Service mit neuen Geschäftsmodellen dazu, welche Umsatzseitig Auswirkungen hätten.

Für die Berechnung des ROI bemüht Thomas Weichsel einen Vergleich: «Wie wird ein Schaltschrank heute für einen Endkunden produziert? Die messbaren Grössen wie die Anzahl von Ausbrüchen im Gehäuse oder auf der Montageplatte oder die Anzahl von Verbindungen werden ermittelt – bezogen auf die einzelnen Produktionsschritte eines Schaltschranks. Dem gegenüber stellen wir den Planungs- und Produktsaufwand mithilfe eines digitalen Zwillings. Der Aufwand lässt sich also vergleichen und so zur ROI-Betrachtung nutzen.»

Digitaler Zwilling bringt langfristig Erfolg

Aus Sicht von Christian Haltiner ist die Umstellung auf eine digitale Wertschöpfung zunächst mit höheren Kosten verbunden. Der Einsatz eines digitalen Zwillings sei jedoch langfristig zu sehen und verhelfe zu mehr Agilität und Innovationskraft, da Ressourcen zielgerichteter eingesetzt werden könnten. «Mit einem digitalen Zwilling ist das Einsparungspotenzial insbesondere in Bezug auf den Faktor Zeit enorm», ergänzt er. Produkte erlangten mit ihm nicht nur schneller die Marktreife, sondern könnten auch rascher auf geänderte Kundenbedürfnisse angepasst werden.

Ähnlich sieht es Beat Meili. «Das Gesamtkonzept des digitalen Zwillings entspricht einem komplett neuen Lösungsansatz und führt zu einer neuen Betrachtungsweise im Maschinen- und Anlagenbau, speziell eben auch im Kosten- und Ertragsbereich», argumentiert er. Dies resultiere insbesondere durch massive Einsparungen bei der Softwareentwicklung sowie der fehlerfreien Produktion mechanischer Baugruppen.

Die Synchronisation der realen mit der digitalen Welt eröffnet dem Maschinenbau eine Vielzahl von Möglichkeiten. Wie von diesem Zusammenspiel hiesige Hersteller profitieren können, daran forscht die Swiss Smart Factory in Biel.

Autor: Markus Back

Der Gedanke ist simpel. Wenn beispielsweise ein Fertigungsunternehmen eine neue Maschine in seine Produktion integriert, erhält es dieses nicht nur physisch, sondern zugleich mit den entsprechenden digitalen Modellen. Dieses virtuelle Abbild – den digitalen Zwilling – kann der Hersteller dabei auf vielfältige Weise nutzen: zum Beispiel um die Ausschussquote durch präzisere Vorhersagen zu reduzieren oder um seinen Fertigungsprozess durch Ko-Simulationen sukzessive zu verbessern.

Drei Integrationsformen für digitalen Zwilling

Aufhänger für diese Mehrwert-generierende Synchronisation von realer und digitaler Welt ist Industrie 4.0. «Und hier sehen wir drei Formen der Integration», sagt Dominic Gorecky von der Swiss Smart Factory in Biel.

1. Die vertikale Integration

Die erste Form, von welcher der Leiter der Forschungseinrichtung spricht, ist die vertikale Integration von der Werkstatt in die IT-Welt, beispielsweise durch Datenakquise mit Plug-and-play-Sensorik oder Gateway-Lösungen. Die in der Edge und Cloud ausgewerteten Daten helfen dem Anwender zur besseren Entscheidungsfindung.

2. Die Integration entlang der Wertschöpfungskette

Die zweite Stossrichtung ist die Integration entlang der Wertschöpfungskette. Da ein Produkt meistens aus vielen Teilkomponenten unterschiedlicher Hersteller besteht, gilt es deren Daten, die während der unterschiedlichen Lebenszyklen entstehen, zusammenzuführen. Dies erlaubt es, den Lebenszyklus des Gesamtproduktes besser zu verstehen, was Vorteile bei der Produktnutzung, der Versorgungswirtschaft und der Logistik innerhalb der Produktionsprozesse bringt.

3. Die digitale Kontinuität

Als dritte Integrationsform haben die Tüftler der Swiss Smart Factory die digitale Kontinuität ausgemacht. Wenn heute Produkte entstehen, tun sie das in aller Regel zunächst als digitales und nicht etwa als physisches Modell. Dieses virtuelle Abbild schafft die Möglichkeit fürs Ausprobieren und Experimentieren und reduziert so die Fehlerkosten schon lange bevor überhaupt ein erstes Bauteil für den Prototyp gestanzt, gefräst, gebohrt oder was auch immer ist.

Die digitale Herstellung eines Produkts

Mit dem Kennen und Beherrschen dieser drei Integrationsformen des digitalen Zwillings ist es aber längst nicht getan. Denn die digitale Geburt und das digitale Leben eines Produktes setzen zwangsläufig auch dessen digitale Herstellung voraus. Und auch hier ist es wieder eine Vielzahl an Werkzeugen, die beispielsweise bei der Layout-Planung, der Ablauf-Planung oder der Logistik-Planung den Maschinenbauer unterstützen. Natürlich ist es letztendlich ein Hartmetallfräser, der einem Bauteil seine Kontur gibt! Mit welcher Geschwindigkeit jedoch das Werkzeug hierbei in der Spindel dreht oder wie diese für die Formgebung in den einzelnen Achsen zu verfahren hat, all dies erfolgt digital.

Digitaler Zwilling reduzierte Trainingskosten um 50 Prozent

Dieses Beispiel zeigt, dass die spanerzeugende Welt inzwischen auf einem digitalen Modell aufbaut – und zwar von dem Moment, in dem ein Produkt geplant wird bis zum Ende seines Zyklus. Fortschrittliche Unternehmen sammeln alle diese Daten und reichern damit ihre Modelle an, die dadurch für noch mehr Anwendungen im Sinne eines digitalen Zwillings interessant werden. Dass diese Nutzungsformen sehr vielseitig sein können, beweist die Side Effects AG aus Zürich (LINK). Sie bereitet CAD-Daten für Anwendungen in 3D-Echtzeitumgebungen auf.

Ähnliches kennt Dominic Gorecky aus seiner Zeit in der Automobil-Industrie. Damals stellte sich die Frage, wie Engineering-Daten, die sonst nur Ingenieuren zugänglich sind, für andere Anwendungen nutzbar gemacht werden können. Hieraus entstand ein neuer Ansatz für ein digitales Training von Montagemitarbeitern, für den die CAD-Daten interoperabel umgewandelt wurden. «Zuvor gab es nur Hardware-Prototypen, an denen Trainer und Teams die Montageschritte aufwendig durchspielen konnten», so der Doktor im Maschinenbau. Mit der Datenumwandlung konnten sich plötzlich 200 Mitarbeiter parallel und zeitunabhängig mit den Montageprozessen auseinandersetzen. Der Clou: Auf Knopfdruck simuliert das Programm eine andere Fahrzeugvariante, was bei einem Prototyp so nicht geht. Insgesamt reduzierte der Automobil-Hersteller dank der Wiederverwendung bestehender Daten als digitaler Zwilling seine Trainingskosten um 50 Prozent.

Voraussetzung für digitalen Zwilling: Interoperabilität

Und was bedeutet das für den hiesigen Maschinenbauer? «Sehen Sie für die Zukunft bei all Ihren Anschaffungen Interoperabilität vor», empfiehlt Dominic Gorecky. Wie das zu verstehen ist, macht er am Beispiel eines neuen IT-Systems deutlich: «Achten Sie auf offene Formate und Exportmöglichkeiten, weil diese Eigenschaften Voraussetzung für neue Anwendungen sind.» Ob Unternehmen hierbei mit einem grossen Wurf beginnen oder klein anfangen und sukzessive ausbauen, ist zweitrangig. Wichtig ist es, überhaupt zu starten und eine eigene Expertise aufzubauen, zum Beispiel indem CAD-Daten mit Materialflussdaten kombiniert werden.

Aus dieser Zusammenführung lässt sich ohne grossen Aufwand eine Materialflusssimulation erstellen, die sich mit Ergonomiedaten kombinieren lässt, um die Arbeitsplatzergonomie innerhalb der Produktion zu prüfen. Im nächsten Schritt lassen sich diese Parameter zum Beispiel mit Prozess- und Workflowdaten ergänzen, um neuartige virtuelle Trainingsangebote für die Mitarbeiter zu entwickeln. «Mit jedem neuen Baustein, den Sie hinzufügen, erweitern sich die Möglichkeiten der Anwendungen», weiss Dominic Gorecky aus eigener Erfahrung.

Digitaler Zwilling für Einsteiger – in fünf Schritten

Voraussetzungen: Das Unternehmen hat noch keine Erfahrung mit dem Konzept des digitalen Zwillings und will einen ersten Schritt in diese Richtung gehen. Die Empfehlung hier: Starte ein Pilotprojekt mit einer Laufzeit von drei Monaten und einer Teamstärke von maximal 3 Personen aus den unterschiedlichsten Disziplinen, wie Sales, Marketing, Business Development, Produktion, etc.

Die Zielsetzung ist ein funktionierender Prototyp, der für internes Marketing, Erfahrungsaufbau und zum externen Austausch genutzt werden kann. Die fünf Schritte lauten:

1. Information – was ist der Nutzen eines digitalen Zwillings, wer setzt ihn ein (intern oder extern)?
2. Bestandsaufnahme Ist-Zustand: Welche Grundlagen existieren bereits im Unternehmen und was nutzen und erwarten meine Kunden?
3. Ausarbeitung und Auswahl eines Anwendungsfalls
4. Prototyping für schnelle Iterationen mit dem Kunden (intern oder extern)
5. Technische Evaluation und wirtschaftliche Betrachtung

Digitaler Zwilling für Erfahrene – in fünf Schritten

Voraussetzung: Das Unternehmen hat bereits Erfahrung mit dem digitalen Zwilling gesammelt und ist sich dem Nutzen des digitalen Zwillings bewusst und will diesen systematisch nutzen. Die Zielsetzung hier ist eine systematische und ganzheitliche Nutzung des digitalen Zwillings im Unternehmen. Die fünf Schritte hier lauten:

1. Bestandsaufnahme Ist-Zustand – wie ist die aktuelle IT-Landschaft und welche Datenformate und -Datenschnittstellen finden Verwendung?
2. Ausarbeitung des Soll-Zustandes: Anwendungsfälle, IT-Systeme, Datenformate und Schnittstellen, Businessmodell
3. Ausarbeitung der Umsetzungsplanung gemeinsam mit Experten und externen Technologie-Partnern
4. Schulung der Mitarbeiter und Kunden
5. Iterative Umsetzung und Weiterentwicklung des digitalen Zwillings