Auf dieser Themenseite zeigen wir, was hinter der Technologie des „Digitalen Zwillings“ steckt und welches Potential sich daraus für Ihren Handwerksbetrieb bzw. Ihr Gewerk ergibt. So viel sei schon hier verraten: Digitale Zwillinge machen Design, Erstellung, Nutzung und Wiederverwertung von Produkten effizienter und bieten vielfältige Chancen, um Prozesse zu verbessern und neue Geschäftsmodelle zu entwickeln.
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Themenheft „Die Technologie des Digitalen Zwillings im Handwerk“
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Ein Digitaler Zwilling ist das virtuelle „Abbild“ eines realen Objektes. Er enthält Informationen über dessen Maße, Material oder Verhalten. Auch Bedingungen wie Physik oder Mechanik werden abgebildet. Das reale Objekt kann ein materielles oder immaterielles Gut, z. B. ein Produkt, eine Anlage oder ein Prozess sein.
Der Digitale Zwilling und das reale Objekt stehen über den Austausch von Daten miteinander in Verbindung. Die Verbindung kann manuell oder automatisiert sein, wenn das reale Objekt über Sensoren verfügt (Internet der Dinge). Die Sensoren messen den Zustand, die Arbeitsbedingungen, die Position oder den aktuellen Status des realen Objekts.
Durch Software werden die generierten Daten gesammelt, analysiert und verarbeitet. Auf Grundlage der Daten sind beispielsweise Vorhersagen über den zukünftigen Zustand des realen Objektes möglich, was sich z. B. auf Wartungszyklen auswirkt.
Eine Änderung des realen Objektes beeinflusst den Zustand der virtuellen Einheit. Dabei werden Daten synchronisiert. Der Digitale Zwilling kann aber auch die Entwicklung des realen Objekts beeinflussen und steuern. So entwickeln sich die Virtuelle Einheit und das reale Objekt gemeinsam weiter.
Ein Beispiel stellt Building Information Modelling (BIM), auch Bauwerksmodellierung genannt, dar. Gebäude werden hier vor dem Baubeginn als virtueller Prototyp entworfen. Alle relevanten Planungsdaten werden so frühzeitig in den Entwicklungsprozess einbezogen. Während der Bauphase werden Echtzeitdaten aufgezeichnet, in das Modell eingepflegt und aktuelle Informationen über den Baufortschritt Beteiligten zugänglich gemacht. Durch diese Offenheit werden nachträgliche Anpassungen, die arbeits- und kostenintensiv sind, stark reduziert.
Ein weiteres Beispiel sind Online-Routenplaner, die das virtuelle Abbild eines Straßennetzwerks in Echtzeit darstellen. Eine Routenplaner-App, die auf Navis oder Mobiltelefonen läuft, ist die Schnittstelle zwischen realem Objekt und virtueller Einheit. Die Software kann automatisiert Staulagen identifizieren, indem sie den Standort von Verkehrsteilnehmenden auswertet. Auf deren Basis wird der Zustand des Digitalen Zwillings, also des Online-Routenplaners, aktualisiert und die Routenempfehlungen für beispielsweise Planungen von Auslieferungen werden optimiert.
Digitale Zwillinge sind vielfältig und umfassen zahlreiche Technologien bzw. Konzepte, z. B. das Internet der Dinge (IoT), Vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance), Big Data oder Künstliche Intelligenz (KI).
Eine Anwendung des Digitalen Zwillings im Handwerksbetrieb kann viele Formen annehmen und sowohl einfach als auch komplex sein, je nach Anwendungsbereich. Dabei geht der Digitale Zwilling über die rein virtuelle Abbildung realer Objekte (Digitales Modell) oder die Sammlung von Daten (Digitaler Schatten), z. B. bei der Aufzeichnung der Historie einer Anlage, hinaus und eröffnet neue Einsatzmöglichkeiten.
Tipp: Im Mittelstand-Digital Zentrum Handwerk können sie sich über viele der Technologien, die Digitale Zwillinge ausmachen, informieren und sie hautnah erleben.
Digitale Zwillinge können Betriebe dabei unterstützen, Produktionsprozesse effizienter zu gestalten, die Produktqualität zu steigern oder den Einsatz von Ressourcen zu optimieren. Gerade im Kontext steigender Preise und knapper Materialien kann der Digitale Zwilling durch Simulation, Modellierung und Optimierung in Bereichen wie Produkt oder Produktion Mehrwert schaffen. Auch die Entwicklung oder Integration neuer Geschäftsmodelle ist möglich.
Im Lebenszyklus komplexer Produkte mit den Phasen Design, Erstellung, Nutzung und (Wieder-) Verwertung eröffnet der Digitale Zwilling vielfältige Einsatzmöglichkeiten für Handwerksbetriebe.
Komplexe Produkte können beispielsweise Bauwerke, Maschinen oder Anlagen sein und für Gewerke aus den Bereichen Elektronik, Mechatronik, Bau, Medizintechnik, KFZ, Produktion oder für Gewerke mit Industrienähe interessant sein. Für die Entwicklung Digitaler Zwillinge ist es außerdem wichtig, eine Daten-Durchlässigkeit sicherzustellen (wie das Zusammenspiel oder die Weiterverwendbarkeit von Daten aus unterschiedlichen Quellen) und zu gewährleisten, dass der Datenaustausch über die gesamte Produktlebenszeit hinweg möglich ist.
Beim Design von Produkten können mithilfe Digitaler Zwillinge bestimmte Anforderungen schnell und unkompliziert digital erprobt werden, ohne am physischen Produkt arbeiten zu müssen.
Hierzu gehören z. B. regulatorische, physikalische, produktionsrelevante und weitere Anforderungen. Durch die frühe Beseitigung von Fehlern werden Kosten reduziert, Einstellungen und Funktionalitäten angepasst und die Qualität gesteigert. Der Digitale Zwilling kommt dadurch dem idealen Soll-Zustand des späteren Produktes immer näher.
Regulatorische Anforderungen beziehen sich beispielsweise auf die Einhaltung von Bauvorschriften oder den Einsatz von Materialien. Diese können durch Building Information Modeling vorab geplant und geprüft werden.
Der technische Übergang von einem Digitalen Modell zu einem Digitalen Zwilling ist dabei jedoch fließend. Ein Digitaler Zwilling entfaltet dann sein volles Potenzial, wenn er bestehende reale Objekte kopiert und diese erweitert, z. B. bei einem An- oder Umbau eines Bauwerks oder der Erweiterung einer existierenden Anlage.
Sobald der Digitale Zwilling entworfen und optimiert wurde, wird auf dieser Basis ein reales Produkt erstellt. Erfolgt die Erstellung des Produkts in mehreren Schritten, spiegelt der Digitale Zwilling immer den aktuellen Produktions- bzw. Baustatus wieder und kann insbesondere im Qualitätsmanagement unterstützen.
Im Bauwesen stellt ein Digitaler Zwilling das virtuelle „Abbild” eines Bauwerks im aktuellen Bauzustand dar. Er kann beispielsweise genutzt werden, um Baufehler zu erkennen oder um bewusste Abweichungen vom eigentlichen Bauplan zu dokumentieren, die während der Bauphase auftreten. Hierdurch wird unter anderem nachvollziehbar, wo Verkabelungen oder Rohrleitungen tatsächlich verlaufen.
Das Zusammenspiel unterschiedlicher Gewerke oder die Überwachung kritischer Baubereiche wird durch den Digitalen Zwilling erleichtert oder erst ermöglicht. Das digitale Abbild stellt außerdem sicher, dass die detaillierten Baudaten bei der späteren Nutzung des Gebäudes weiterverwertet werden können.
Bei der Nutzung von Produkten bietet der Digitale Zwilling unter anderem Vorteile bei der Analyse und Überwachung. So können beispielsweise Probleme identifiziert werden, bevor sie auftreten, wodurch Instandhaltungsmaßnahmen wie Reparaturen, der Austausch von Elementen oder das Fetten von Maschinen intelligent geplant und vorhergesagt werden können. Werden beispielsweise Ersatzteilkataloge mit dem Digitalen Zwilling verknüpft, sind unter anderem Nachbestellungen deutlich einfacher.
Sensortechnologie hilft dabei, Objekte wie Kraftfahrzeuge oder Maschinen zu überwachen, Unregelmäßigkeiten zu erkennen und frühzeitig Mitarbeitende für Reparaturen einzuplanen. Service- oder Instandhaltungstermine im Betrieb oder vor Ort werden exakt zum richtigen Zeitpunkt durchgeführt, wodurch Personal- und Ressourcen eingespart werden.
Auch im Bereich Smart Home können Digitale Zwillinge dabei unterstützen, Geräte oder Anlagen intelligent miteinander zu vernetzen, individuell an Nutzungszwecke anzupassen oder Wartungszyklen vorauszusagen.
Digitale Zwillinge werden auch für den optimalen Rückbau von Anlagen oder Bauwerken eingesetzt. Hier liefern sie hilfreiche Informationen und unterstützen die bestmögliche Wieder- und Weiterverwendung.
Macht ein Digitaler Zwilling in Ihrem Betrieb im Bereich von Produktlebenszyklen Sinn? Mit diesen Fragen finden Sie es heraus.
Produktionsanlagen können als Digitale Zwillinge digital nachgebaut werden. Die reale Anlage wird mit Sensoren ausgestattet und mit dem Digitalen Zwilling vernetzt. Die gesammelten Daten ermöglichen es, Vorschläge zu entwickeln, wie sich Abläufe optimieren lassen. Mithilfe des Digitalen Zwillings kann die Produktionsweise der realen Anlage teilweise direkt angepasst werden.
Außerdem können neue Komponenten und deren Zusammenspiel mit einer bestehenden Produktionsanlage durch sogenannte eine „Virtuelle Inbetriebnahme“ getestet werden, ohne das Tagesgeschäft zu beeinflussen.
Auch für Schulungsszenarien ergeben sich neue Möglichkeiten. Auszubildende können beispielsweise erproben, wie Fehlplanungen wirken, da der Digitale Zwilling die Produktionsanlage in ihrer realen Gestalt und Funktionsweise abbildet.
Tipp: Daten am realen Objekt, die gesammelt werden, verbessern den Digitalen Zwilling. Je mehr Daten vorliegen, desto realistischer kann der Digitale Zwilling reales Verhalten simulieren.
Nicht nur steigende Energiepreise und eine erhöhte Nachfrage verlangen eine effiziente logistische Planung. Auch bei der Kundschaft sind die Erwartungen an eine schnelle und zeitgenaue Lieferung und Montage hoch. Ein Digitaler Zwilling kann den aktuellen Stand der Auslastung von z. B. einem logistischen Prozess oder einer Fahrzeugflotte abbilden. Basierend darauf können verschiedene Szenarien simuliert werden, um die Auslastung weiter zu verbessern.
Auch die Verbesserung innerbetrieblicher Abläufe ist denkbar, indem z. B. Ersatzteilbestände auf Basis der Überwachung von Anlagen optimiert und zeitnah aufgefüllt und so Ausfallzeiten und Verzögerungen reduziert werden.
Digitale Zwillinge eignen sich auch, um neue Geschäftsmodelle, Geschäftsfelder und Einnahmequellen zu erschließen. Besonderes Potential bietet die Zusammenarbeit mit externen Partnern, beispielsweise in der Industrie. Werden dort bereits Digitale Zwillinge eingesetzt, kann der eigene Betrieb z. B. Dienstleistungen wie Überwachung und proaktive Instandhaltung anbieten.
Betriebe verkaufen dann keine physischen Produkte, sondern bieten Serviceverträge, die die Funktionsfähigkeit von Produkten und Anlagen sicherstellen. Dies kann für Betriebe einen Wechsel von Einzelaufträgen hin zu dauerhaften Serviceverträgen auf Basis von Sensorwerten bedeuten. Bei Heizungen oder Rauchmeldern sind erste Entwicklungen dieser Art bereits erkennbar. Instandsetzungsaufträge werden bei Bedarf automatisch ausgelöst.
Aber auch die Entwicklung neuer Geschäftsmodelle von z. B. Banken auf Basis Digitaler Zwillinge ist für handwerkliche Betriebe relevant. So bieten manche Banken Kredite an, die auf Grundlage der tatsächlich genutzten Maschinenleistung abbezahlt werden (pay-per-use). Die Maschinenleistung muss hierfür allerdings (von Handwerksbetrieben) überwacht und dokumentiert werden.
Welche neuen Geschäftsmodelle kann Ihr Betrieb auf Basis Digitaler Zwillinge aufbauen? Mit diesen Fragen finden Sie es heraus.
Als Betrieb sollte man sich zuerst die Frage stellen, welche Einsatzszenarien den größten Mehrwert für den eigenen Betrieb bieten. Sobald der Einsatzzweck feststeht, hat man verschiedene Möglichkeiten.
Der einfachste Weg besteht darin, bereits bestehende Digitale Zwillinge zu nutzen, sei es in der Industrie oder beim Kunden, und daraus ein neues Geschäftsmodell abzuleiten. Viele Betriebe nutzen z. B. bereits Software von Anlagenherstellern oder bestimmten Produkten wie Heizungen und Photovoltaikanlagen, die Funktionen eines Digitalen Zwillings bieten.
Die eigenständige Entwicklung eines Digitalen Zwillings eignet sich vor allem für Betriebe, die bereits über ein hohes Digitalisierungsniveau verfügen. Hier sollte zunächst überlegt werden, welches neue Produkt bzw. welche Dienstleistung angeboten werden soll und welche IT und Sensorik hierfür nötig sind.
Software mit vorgefertigten Systembausteinen ermöglicht einen eher niederschwelligen Zugang. Nutzt man hingegen Modellierungs- oder Simulationssoftware, ist der Gestaltungsspielraum größer, aber es sind auch eine längere Einarbeitung bzw. Vorkenntnisse nötig.
Empfehlenswert sind Kooperationen mit IT-Unternehmen, um evtl. gemeinschaftliche Angebote zu entwickeln und potenziell bestehendes Silodenken zu überwinden. Durch z. B. einheitliche Datenstandards oder die Anbindung an Datenplattformen profitiert der einzelne Betrieb unmittelbar.
Manche Arten von Digitalen Zwillingen können auch relativ einfach durch das digitale Aufmaß realer Objekte erstellt werden.
Es ist auch möglich, einen Digitalen Zwilling durch einen Dienstleister erstellen zu lassen. Vor der Umsetzung werden alle Details gemeinsam Schritt für Schritt besprochen, um individuelle Wünsche zu berücksichtigen.
Digitale Zwillinge und deren Anwendungsfälle können individuell sehr unterschiedlich sein. Hier eine Übersicht aktueller und zukünftiger Einsatzbereiche:
Die Technologie des Digitalen Zwillings entwickelt sich aktuell insbesondere in Industrie- und Wirtschaftszweigen schnell, die an das Handwerk angrenzen. Es kann daher bereits in wenigen Jahren neue Lösungen auf dem Markt geben, an die heute noch nicht zu denken ist. Prüfen Sie daher regelmäßig, ob Digitale Zwillinge für Ihren Betrieb einen Mehrwert bieten.
Sie haben schon eine erste Idee, wie ein Digitaler Zwilling Ihren Betrieb weiterbringen oder ein neues Geschäftsmodell etablieren könnte? Sprechen Sie mit den Profis vom Mittelstand-Digital Zentrum Handwerk über die Details und mögliche Einsatzszenarien. Wir freuen uns auf Sie!
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