Virtuelle Simulation: Digitale Zwillinge revolutionieren die Industrie

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Der Einsatz von virtuellen Zwillingen ermöglicht es Unternehmen, ihre Produkte und Systeme in einer digitalen Simulation zu testen, bevor sie in die reale Produktion übergehen. Dadurch lassen sich Effizienz und Qualität steigern. Die Zimmer Group setzt seit vielen Jahren digitale Zwillinge auf verschiedenen Ebenen wie Komponenten, Systeme, Anlagen und AMRs ein.

Virtuelle Simulation unter der Lupe: Digitale Abbildungen von Komponenten, Systemen und komplexen Anlagen haben die Industrie in vielen Bereichen revolutioniert und gewinnen immer mehr an Bedeutung. Kein Wunder: Durch den Einsatz von Simulationen kann man mit einem virtuellen Zwilling wertvolle Erfahrungen sammeln und so die Herstellung von Produkten oder Systemen optimieren, ohne teure und zeitaufwändige Realtestläufe durchführen zu müssen. Probleme können frühzeitig erkannt und behoben werden. Darüber hinaus kann ein virtueller Zwilling dabei helfen, den Fertigungsprozess zu verbessern und somit die Effizienz zu steigern.

Die virtuelle Simulation als Chance

In der Automobilindustrie und anderen Branchen unterstützen digitale Zwillinge die Entwicklung neuer Modelle und ermöglichen die Prognose von Wartungsarbeiten. In Energiesektoren wie Öl, Gas und erneuerbaren Energien kommen sie zum Einsatz, um komplexe Anlagen und Infrastrukturen zu simulieren und die Effi­zienz zu steigern. Aber auch im Bereich der Intralogistik, beispielsweise in Verbindung mit autonomen mobilen Robotern (AMRs), nutzt man Simulationen, um das Verhalten und die Leistung in individuellen Umgebungen zu testen. Dadurch wird eine effiziente Planung, Optimierung und Fehlererkennung ermöglicht. Digital Twins bieten eine risikofreie Umgebung für Schulungen und sind ein wertvolles Werkzeug zur Beschleunigung und Verbesserung von Produktionsprozessen.

Die Zimmer Group, langjähriger Automatisierungspartner in unterschiedlichen Industriezweigen, hat frühzeitig das Potenzial virtueller Simulationen erkannt. Der digitale Zwilling bietet Vorteile entlang der gesamten Wertschöpfungskette, wie die nahtlose Verknüpfung der einzelnen Prozessschritte. Dadurch lässt sich die Effi­zienz durchgängig steigern, die Fehlerquote minimieren und die Entwicklungszyklen verkürzen. Zusätzlich eröffnet sich die Möglichkeit neuer Geschäftsmodelle.

Vom CAD-Modell zum Zwilling

Zur Unterstützung der Konstruktion und virtuellen Inbetriebnahme (VIBN) stellt die Zimmer Group seit Jahren für nahezu alle CAD-Systeme bewegliche 3D-Modelle ihrer Komponenten, zum Beispiel Greifer der Serie 5000, zur Verfügung. Darauf aufbauend bietet das Unternehmen auch intelligente, digitale Zwillinge seiner Komponenten für VIBN-Systeme wie Siemens MCD oder ISG Virtuos an. Alternativ liefert der Automatisierungsspezialist auch reine Verhaltensmodelle, sogenannte FMU-Modelle (Functional Mock-up). Diese kann der Kunde in einer beliebigen Simulationsumgebung mit den 3D-Modellen koppeln und hat so die freie Herstellerwahl für seine Simulation. Im Gegensatz zum 3D-Modell enthalten diese Simulationsmodelle auch Informationen über physikalische Verhaltensmodelle und vorhandene Kommunikationsschnittstellen.

Der Vorteil zeigt sich in der Konstruk­tion: Durch die detailliertere Simulation der Automatisierung lassen sich große Teile des SPS-Programms bereits in der virtuellen Umgebung testen und das Verhalten realitätsnah abbilden. Die Erstellung des SPS-Codes wird durch den Einsatz von Funktionsbausteinen erleichtert. Die Zimmer Group bietet diese Funktionsbausteine als Additional Data Package (ADP) auf ihrer Webseite zum kostenlosen Download an.

Virtuelle Inbetriebnahme von Endeffektoren

Bei der Zimmer Group ist man sich sicher, dass Digital Twins auch in Zukunft eine zentrale Rolle bei der Automatisierung von Produktionsprozessen spielen. „Neben unseren Kundenprojekten, die wir bereits mit digitalen Zwillingen realisieren, engagieren wir uns in der Twinstore Community, in der Kunden zukünftig komplette Komponentenmodelle herunterladen können. Damit können sie den vollen Funktionsumfang einer Komponente in ihrer Zwillingsanlage abrufen“, betont Ulrich Doll, Head of Project Management bei der Zimmer Group. Dies führe zu einer deutlichen Qualitätssteigerung des digitalen Zwillings und beschleunige die mechatronische Entwicklung.

Bisher ist der Einsatz von Simulationen gerade bei der Anlagenentwicklung und -inbetriebnahme gefragt. Ein großes Potenzial sieht man aber auch in längeren Laufzeiten: „Ziel ist es, die Zwillingsanlage parallel zur realen Anlage laufen zu lassen. So können wir beispielsweise virtuell Schulungen oder Langzeittests durchführen und Erweiterungen bestehender Anlagen realitätsnah prüfen“, so Doll.

Virtuelle Simulation einer Roboterzelle - in Echtzeit

Durch den Einsatz des virtuellen Zwillings können Unternehmen Zeit und Kosten sparen, indem sie Produkte digital entwickeln und optimieren, bevor sie in die ­reale Produktion gehen. Besonders deutlich wird dies bei der Planung und Umsetzung komplexer Anlagen und Roboterzellen.

Für den französischen Küchenmöbelhersteller Schmidt Groupe entwickelte die Zimmer Group eine Roboter-Bearbeitungszelle zum Bohren und Beschlagsetzen von Küchenmöbelteilen, die erst kürzlich mit dem ife-Award „Innovationspreis LOS­GRÖSSE 1+“ ausgezeichnet wurde. Die Zelle ist Teil einer Fertigungslinie, mit der komplette Kücheneinrichtungen in Losgröße 1 hergestellt werden. Gefordert war eine Verfügbarkeit von mehr als 98 Prozent, das heißt, die Wartung sollte nicht zu einem kompletten Maschinenstillstand führen. Daher ist nur ein modulares System in Frage gekommen. Hinzu kam der Wunsch nach Flexibilität, Genauigkeit, Erweiterbarkeit sowie einer Stückzahl-1-Fertigung ohne vordefinierte Bearbeitungsprogramme.

Die komplexe Zelle ließ sich durch eine Echtzeitsimulation realisieren. Dazu Projektleiter Ulrich Doll: „Während der Entwicklung und Inbetriebnahme der Anlage haben wir neben der realen Anlage immer mit unserem digitalen Zwilling gearbeitet. An diesem virtuellen Abbild konnten wir alle Funktionen digital testen und so risikolos an der Steuerung der Anlage arbeiten, teilweise noch bevor die einzelnen Komponenten gefertigt waren.“ Die virtuelle Zelle wurde mit Hilfe des digitalen Zwillings im Hardware-in-the-Loop-System ISG Virtuos erstellt. So konnte man die Leistungsfähigkeit der Anlage bereits vor der Realisierung überprüfen und die Kundenanforderung konsequent im Sinne von Industrie 4.0 umsetzen.

AMRs und Simulationen

Digital Twins und virtuelle Simulation kommen nicht nur bei einzelnen Komponenten und komplexen Anlagen zum Einsatz. Auch im Bereich der fahrerlosen Transportsysteme sind Simulationen nicht mehr wegzudenken. Der Einsatz von AMRs in der Intralogistik bietet zahlreiche Vorteile, unter anderem eine deutliche Effizienzsteigerung gegenüber manuellen Prozessen. Die Zimmer Group verfolgt mit ihrem AMR-System Miles das Ziel, die Effizienz auf ein Maximum zu steigern. Deshalb wurde ein Gesamtkonzept entwickelt, das eine nahtlose Integration in bestehende Prozesse gewährleistet.

Dazu analysiert man zunächst die individuellen Anforderungen. Mit Hilfe der Software Siemens Plant Simulation lässt sich dann ein optimales Konzept für den jeweiligen Kunden erstellen. Das Layout des Automatisierungssystems wird dabei an das Anlagenlayout des jeweiligen Kunden angepasst. Die Simulation erfolgt in Echtzeit und lässt sich anhand verschiedener Parameter flexibel anpassen.

Potenziale für zukünftige Entwicklungen

Der virtuelle Zwilling hat bereits viele Anwendungsfelder in der Industrie erobert und bietet viel Potenzial für zukünftige Entwicklungen. Durch die digitale Abbildung realer Systeme, Produkte oder Produktionsprozesse können Unternehmen wertvolle Daten und Erfahrungen sammeln. Ein großes Potenzial für Unternehmen aller Branchen, um effizienter zu arbeiten und sich schneller an neue Gegebenheiten anzupassen.

Die Autorin Margot Johanna Pompe ist Online Content Editor bei der Zimmer Group.