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Digitalisierung

Der Weg zum digitalen Zwilling

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CAD und Digital Mock-up

Lange bevor die Digitalisierung im privaten Leben Einzug hielt, war die Unterstützung komplexer Berechnungen durch Computer ein fester Bestandteil in Forschung, Luft- und Raumfahrt. Der Austausch von Ergebnissen, die Kompatibilität und die Übertragbarkeit zwischen den hoch spezialisierten Systemen war anfangs nicht möglich. Erst mit der Einführung der ersten CAD-Systeme und entsprechender Austauschformate wurde es möglich, Daten und Ergebnisse verschiedener hoch spezialisierter Software auszutauschen und die Rechenleistungen verschiedener Systeme parallel und gleichzeitig zu nutzen.

Flugzeuge waren schon immer hochkomplexe Konstruktionen. Neben Tragwerk und Design spielen auch Funktion und ganz besonders die Sicherheit entscheidende Rollen. Die Nasa gilt deshalb als Vorreiter des Konzeptes eines digitalen Zwillings. Nicht von ungefähr war die Luftfahrtindustrie auch bald Treiber dieser Technologie. Flugzeuge, Schiffe und Automobile entstehen schon seit einiger Zeit vollständig digital am Computer.

Dennoch mussten nach wie vor maßstabsgetreue Verhaltensmodelle und reale Prototypen gebaut werden, um Aussagen über physische und technische Eigenschaften der Konstruktionen zu bekommen. Die Idee des Digital Mock-up entstand aus den Überlegungen, wie man die kosten- und zeitintensiven physischen Versuchsträger mithilfe der Rechnerunterstützung ersetzen könnte. Dazu wird ein geometrisches CAD-Modell mit vielen weiteren Teilmodellen und Kenngrößen so erweitert, dass sich die Modelle dann in groß angelegten physikalischen Simulationen und virtuellen Versuchsreihen immer weiter dem tatsächlichen Verhalten des realen Produkts annähern.

Funktionales Digital Mock-up

Mit dem (auch Functional Mock-up, FMU, genannten) Ansatz greift man die Aspekte einzelner Teilmodelle auf und versucht, über die Kopplung mit Teilmodellen aus verschiedenen Disziplinen (zum Beispiel MCAD, ECAD und Fabriksimulation) die Funktionsweisen zu testen. Das ist wichtig, wenn die Funktion des Modells im Ganzen beurteilt werden soll. Allerdings kann dies, je nach Beschaffenheit der Konstruktion, zu einem extrem komplexen und sehr aufwendigen Modell führen, das für jeden Anwendungsfall individuell und neu entwickelt werden muss.

Diese Art des FMU ist sehr zeit- und kostenintensiv und blieb daher in der Regel größeren Herstellern aus der Flugzeug- oder Automobilindustrie vorbehalten. Genau hier kommt der digitale Zwilling als zukünftige Schlüsseltechnologie ins Spiel. Denn anstatt ein komplexes Verhaltensmodell eines Fahrzeugs immer wieder neu aufzubauen, kann ein Modell auch granular auf Schultern verschiedener Einheiten von digitalen Zwillingen aufgebaut werden, die kompakter und damit überschaubarer als das große Ganze sind.

Ein Zwilling kommt selten alleine

Bei dem modularen Konzept kann eine Baugruppe oder eine Anlage auch aus mehreren digitalen Zwillingen aufgebaut werden, die je nach Anforderung und Projektfortschritt unterschiedliche Eigenschaften abbilden. So kann ein Zwilling die geometrischen und kinematischen Details abbilden, während zugleich ein anderer die mechatronischen Eigenschaften einer Baugruppe beschreibt und sich ein dritter digitaler Prozesszwilling den Abläufen und der Logik widmet. Alle digitalen Bausteine können dank dieses Ansatzes wie Legosteine über eine standardisierte Schnittstelle zu einem größeren und komplexeren digitalen Zwilling zusammengefügt werden.

Dabei spielt es auch keine Rolle mehr, ob ein Baustein eine reale Baugruppe, eine virtuelle Komponente oder eine abstrakte Logik ist. Man kann also echte Baugruppen und virtuelle Abbilder in einem digitalen Zwilling kombinieren. Durch einen modularen Aufbau wird es möglich, erst einmal mit einem überschaubaren Abstraktionslevel zu starten und den Detailgrad dann schrittweise und bedarfsgerecht zu steigern. Man kann je nach Lage der Dinge digitale Zwillinge kopieren, modifizieren, ergänzen oder immer wieder neu kombinieren. Man kann digitale Zwillinge mit echten, realen Baugruppen koppeln (Hardware in the Loop) und damit ganze Anlagen schon in der Projektierungsphase und während der Konstruktion auf Funktion und Bedienbarkeit hin testen.

Damit wird der Ansatz für kleinere Anlagen- und Maschinenbauer sehr interessant und kurzfristig realisierbar. Denn man kann klein starten und sich sukzessive einen individuellen, digitalen Baukasten aufbauen, um Anlagen schneller, sicherer, vor allem aber noch wettbewerbsfähiger in Betrieb nehmen und betreiben zu können.

* Leo Bartevyan ist IT Systems Engineer, Digital Factory Solutions bei der Cenit AG, Tel. (07 11) 78 25-36 11, L.Bartevyan@cenit.de

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