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Cadfem Digitaler Zwilling veredelt die Sensordaten

| Autor / Redakteur: Christof Gebhardt / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Der digitale Zwilling ist ein digitales Abbild eines individuellen Produktes, das sein physisches Pendant sein Leben lang begleitet. Sobald ein Produkt entsteht, produziert und montiert wird und in Betrieb geht, durchlebt es eine eigene Historie, in der seine Eigenschaften individuell beeinflusst werden. Ab der Inbetriebnahme veralten somit die Informationen aus der Produktentwicklung. Dies muss in einem brauchbaren digitalen Modell berücksichtigt werden.

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Auch bei Windenergieanlagen lassen sich vielfältige Strömungssimulationen und strukturmechanische Berechnungen mit dem Digitalen Zwilling durchführen.
Auch bei Windenergieanlagen lassen sich vielfältige Strömungssimulationen und strukturmechanische Berechnungen mit dem Digitalen Zwilling durchführen.
(Bild: Prof. Marius Geller, FH Dortmund )

In langlebigen Produkten wie Maschinen und Anlagen müssen eine hohe Verfügbarkeit sowie eine zuverlässige Funktion sichergestellt werden. Dafür ist eine genaue Kenntnis des tatsächlichen individuellen Anlagenzustands unabdingbar. Deshalb erfassen Sensoren am physischen Produkt relevante Daten für eine Zustandsbewertung. Mit diesen Daten können aber nicht alle wichtigen Eigenschaften dargestellt werden.

Virtuelle Sensoren sind in der Simulation an beliebigen Stellen platzierbar

Hier bietet der digitale Zwilling zusätzliche Informationen, und zwar die Berechnungsergebnisse von kontinuierlich aktualisierten Simulationen, die wie virtuelle Sensoren einsetzbar sind. Dabei werden die in der Realität auftretenden Lasten, die von realen Sensoren gemessen werden, gleichzeitig in der Simulation berücksichtigt. Im Gegensatz zu den realen Sensoren lassen sich die virtuellen an beliebigen Stellen platzieren, zum Beispiel, um Temperaturen in filigranen Strukturen, mechanische Spannungen in Kontaktzonen oder Strömungsverhältnisse in schmalen Querschnitten zu messen.

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Die erweiterte Kenntnis des realen Produktzustands durch den digitalen Zwilling ist entscheidend für eine zustandsorientierte Wartung, die exakte Ergebnisse voraussetzt, um belastbare Aussagen treffen zu können. Dadurch lässt sich eine deutliche Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit im Servicegeschäft erreichen.

Das US-Energieministerium hat 2010 in einer Studie festgestellt, dass 55 % aller Wartungskonzepte reaktiv sind, also Wartungsmaßnahmen erst im Bedarfsfall, das heißt bei einem Ausfall, vorgenommen werden, 31 % sind präventiv und nur 12 % zustands­orientiert (prädiktiv). Außerdem sollen sich bei einem Wechsel von präventiver auf prädiktive Wartung die Zahl der Ausfälle um 70 % und die Wartungskosten um 25 % reduzieren lassen.

Nur 12 % aller Wartungsmassnahmen sind zustandsorientiert

Damit sowohl die dabei geforderte Ergebnisqualität als auch die schnelle Verarbeitung der Sensordaten abgesichert ist, werden Verhaltensmodelle (Reduced Order Models, ROM) eingesetzt, die sich aus 2D- oder 3D-Feldanalysen ableiten lassen. Die Interaktion der einzelnen Produktkomponenten wie Antriebe, Mechanik, Regelung und Elektronik wird durch die Kombination der einzelnen Verhaltensmodelle realisiert und in einem integrierten digitalen Produktmodell als digitaler Zwilling zusammengefasst.

Ein Beispielprojekt ist der digitale Zwilling einer Windkraftanlage, mit dem in Abhängigkeit von der tatsächlichen Windrichtung und -stärke die Lebensdauer von Schweißnähten an verschiedenen Stellen im Turm ermittelt wird. Dazu wurde in Zusammenarbeit mit der Hochschule MCI (Management Center Innsbruck) bei Cadfem eine Masterarbeit erstellt.

IoT-Plattformen bereiten die Sensordaten für den digitalen Zwilling auf

Das Einspeisen der realen Sensordaten in den digitalen Zwilling kann über eine sogenannte IoT-Plattform (Internet of Things) erfolgen. Sie bereitet die Sensordaten für den digitalen Zwilling auf und stellt somit die Verbindung zum physischen Produkt her. Außerdem übermittelt sie die Ergebnisse des digitalen Zwillings zur Auswertung an den Servicemitarbeiter. Damit lassen sich sowohl einzelne Produkte bewerten als auch komplette Gruppen von Produkten und Anlagen, beispielsweise nach Region, Einsatzbedingung oder Verschleißzustand.

In einem Pilotprojekt wurde von Phoenix Contact und Cadfem für sicherheitskritische Applikationen der Prototyp eines digitalen Zwillings für ein Relais aufgebaut, der anhand der Betriebsdaten – wie zu schaltende Leistung, Schalthäufigkeit und Temperatur – eine Prognose der verbleibenden Lebensdauer erstellt.

Big-Data-Analysen, Mustererkennung und maschinelles Lernen ermöglichen es darüber hinaus, Mechanismen für Verschleiß und Ausfall zu erkennen und Wartungsmaßnahmen zu koordinieren. Außerdem lässt sich das Nutzungsverhalten von Produkten besser erfassen. Die gesammelten Daten bilden unter anderem eine solide Grundlage, um das bisherige Angebot zu optimieren. Die Einführung eines digitalen Zwillings ist somit ein wichtiger Schritt beim Wechsel von einem besitz- zu einem serviceorientierten Geschäftsmodell.

* Christof Gebhardt ist Business Development Manager bei der Cadfem GmbH in 85567 Grafing

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