92 % der Unternehmen bleiben auf halbem Weg stecken: Warum ist die Implementierung von Digital Twin so schwierig?
Die meisten Unternehmen missverstehen Digital Twin als "3D-Grafikdarstellung", während es tatsächlich ein virtuelles "digitales Lebewesen" ist.
In hochkomplexen Fertigungsbranchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobil- und der Konsumelektronik-Industrie entwickelt sich Digital Twin von einem technischen Konzept zu einer Kernkompetenz. Es wird als Schlüsselinstrument angesehen, um der zunehmenden Produktkomplexität, der schnelleren Markteinführung, der intelligenten Upgrades, den Spannungen in der globalen Lieferkette und den Anforderungen an die nachhaltige Entwicklung zu begegnen.
Es besteht jedoch eine enorme Kluft zwischen Ideal und Realität. Viele Unternehmen verstehen Digital Twin als 3D-Modellierung oder Grafikvisualisierung. Die Systeme sind isoliert, und die Daten sind getrennt, was es schwierig macht, eine geschlossene Schleife der Zusammenarbeit von der Konstruktion über die Fertigung bis zur Wartung zu unterstützen. Laut einer Umfrage des Digital Twin Consortium haben nur etwa 8 % der Unternehmen weltweit eine tiefe Integration von Digital Twin in den Produktlebenszyklus, den Produktionsprozess und die Leistungsanalyse erreicht. 92 % der Unternehmen bleiben auf der Stufe der "lokalen Visualisierung" und können keine systemischen Werte entfalten.
Daraus ergibt sich ein grundlegendes Problem: Warum lässt sich Digital Twin nicht zu einem Ganzen zusammenfügen?
Der Durchbruch von 8 % und die Sackgasse von 92 %
In einer traditionellen Schiffswerft plagt die Informationstrennung zwischen den komplexen Fertigungsprozessen und -schritten das Unternehmen seit langem. Beispielsweise erstellt der Designer in der Entwurfsphase ein Schiffsprojekt durch 3D-Modellierung, liefert aber an die Werft 2D-Zeichnungen. Die Zeichnungen werden vor dem Baubeginn erneut in ein 3D-Modell umgewandelt, um die Schiffskörperstruktur zu planen, und an der Fertigungsfront werden sie wieder in ebene Zeichnungen zurückverwandelt, damit die Arbeiter damit arbeiten können. Wenn das neue Schiff ausgeliefert wird, erhält der Kunde immer noch ein Papierhandbuch, selbst wenn diese Informationen so viele sind, dass sie einen ganzen Wagen füllen würden.
Um dieses ineffiziente und getrennte Modell vollständig zu durchbrechen, beschloss die Schiffswerft, ein Digital Twin-System auf Basis einer "einheitlichen Plattform" einzuführen, um eine hohe Kopplung von Menschen, Prozessen und Informationen zu erreichen. In diesem System sind die Phasen der Entwurf, Simulation, Fertigung und Lieferung organisch verbunden. Jede Änderung in einem Schritt wird in Echtzeit an die nachgelagerten Schritte weitergeleitet. Alle Beteiligten "bauen an einem digitalen Modell" zusammen, was die Barriere der "sprachlichen Unvereinbarkeit" durchbricht und einen dynamischen geschlossenen Kreis von gleichzeitiger Entwurf, Bau und Erlebnis bildet.
Digital Twin ist die Abbildung von Objekten, Systemen und Prozessen der realen Welt in den virtuellen Raum durch digitale Technologien, um einen interaktiven und entwicklungsfähigen "digitalen Klon" zu erzeugen. Durch die "Verbindung von Realität und Virtuosität" wird die wiederholte Arbeit erheblich reduziert, die Kooperationseffizienz verbessert, und es wird eine tiefgreifendere Revolution des "Left-Shift Engineering" ausgelöst.
In traditionellen Fertigungsprozessen werden oft Probleme erst in der späten Phase entdeckt, was zu Wiederholungsarbeiten, Verzögerungen und einem starken Anstieg der Kosten führt. Mit Digital Twin wird die technische Validierung "vorverlegt" in die Anfangsphase des Entwurfs. Tausende von Leistungstests und Prozessvalidierungen können in der virtuellen Welt durchgeführt werden, potenzielle Risiken können frühzeitig erkannt und rechtzeitig korrigiert werden, um die hohen Kosten der Fehlersuche an realen Gegenständen zu vermeiden.
Von der Luft- und Raumfahrt, der Konsumelektronik bis zur Automobilindustrie wird Digital Twin zum "Fundament" in hochkomplexen Fertigungsbranchen. Beispielsweise nutzt JetZero es, um die nächste Generation von Flugzeugen mit integriertem Flügel-Rumpf-Design zu validieren, und das Oracle Red Bull F1-Team nutzt es, um die Parameter des Rennwagens in Echtzeit anzupassen. Es ist kein Effizienzwerkzeug für einen einzelnen Schritt, sondern eine systemische Plattform, die die Organisationsveränderung und die Innovationsfähigkeit unterstützt.
Allerdings verbirgt sich hinter der Diskrepanz von "8 % und 92 %", wie in der Umfrage des Digital Twin Consortium gezeigt wird, eine strukturelle Herausforderung, der Unternehmen bei der Umsetzung von Digital Twin gegenüberstehen.
Die meisten Unternehmen missverstehen Digital Twin als "fortgeschrittene Darstellung von 3D-Grafiken", anstatt als ein "digitales Lebewesen", das Entwurf, Simulation, Validierung, Optimierung, Fertigung und Service umfasst und in dem Realität und Virtuosität nebeneinander existieren. Ein echter umfassender Digital Twin ist ein sich selbst entwickelnder geschlossener Systemkreis, der in seinem gesamten Lebenszyklus kontinuierlich reale Daten aufnimmt und die Geschäftsentwicklung antreibt.
Nehmen wir die Siemens-Fabrik in Nanjing als Beispiel. Der Planungs- und Bauvorgang selbst wurde im Rahmen von Digital Twin abgeschlossen. Durch die Simulation von mehreren extremen Szenarien in der Simulationsmaschine absolvierte das Team in der virtuellen Welt mehrere Runden von Validierung und Optimierung der Fabrikkonfiguration, des Fertigungsprozesses und des Datenflusswegs. Nach der Inbetriebnahme der Fabrik werden alle Betriebsdaten in Echtzeit an das Digital Twin zurückgesendet, um eine kontinuierliche Anpassung und Leistungssteigerung zu erreichen und tatsächlich ein "intelligentes Nervensystem" für die Fabrik aufzubauen.
Wie von der Harvard Business Review festgestellt wurde: "Die Fähigkeit zur geschlossenen Schleife der Optimierung ist der Kernwertanker der industriellen Digitaltransformation." Und der umfassende Digital Twin ist die Verkörperung dieser Fähigkeit.
Der Schlüssel zur Förderung eines solchen geschlossenen Systemkreises liegt nicht in der Implementierung einzelner Werkzeuge, sondern in der Überwindung der "systemischen Lücken" zwischen der Entwurf (CAD), Verwaltung (PLM), Fertigungsausführung (MES) und Unternehmensressourcen (ERP), um eine "digitale Hauptlinie" mit logischer Einheit und durchgängigen Daten aufzubauen. Genau wegen dieser hohen Anforderungen an die Systemfähigkeit und die Schwierigkeiten bei der Kooperation können die meisten Unternehmen die Phase der lokalen Pilotprojekte nicht überwinden und bleiben auf der Stufe der "Werkzeuganhäufung" stehen.
Warum lässt sich es nicht zu einem Ganzen zusammenfügen?
Die Essenz des umfassenden Digital Twin ist nicht die "Werkzeuganhäufung", sondern die Umgestaltung der Systemarchitektur. Wenn Unternehmen wirklich in die Phase des Digital Twin eintreten möchten, müssen sie zuerst die Frage beantworten: Warum lässt sich es nicht zu einem Ganzen zusammenfügen?
In realen Unternehmen ist die verteilte Verwaltung der mehrdomänigen Stücklisten (BOM) sehr ausgeprägt. Die Entwurfs-BOM, die technische BOM und die Fertigungs-BOM funktionieren unabhängig voneinander. Die mechanischen, elektrischen und Softwareteams verwenden unterschiedliche Werkzeuge und Formate, und es ist schwierig, die Systeme miteinander zu verbinden. Die verteilten Daten, die häufige Umwandlung zwischen verschiedenen Formaten, die manuelle Synchronisierung und das Fehlen von Nachverfolgung führen zu einer Verzögerung der Informationen, einer Anhäufung von Fehlern und sogar zu Entwurfsfehlern und Risiken in Bezug auf die Einhaltung von Vorschriften.
Noch wichtiger ist, dass die isolierte Architektur fortschrittliche Technologien wie KI und maschinelles Lernen, die große Datenmengen benötigen, um effektiv zu funktionieren, einschränkt und den Zugang der Unternehmen zu einer höheren Stufe der Intelligenz blockiert.
Die Lösung von Siemens besteht darin, eine Daten-"Neuralbahn" - die digitale Hauptlinie - zu erstellen, die den gesamten Produktlebenszyklus durchläuft. Sie integriert Werkzeuge, Daten, Prozesse und Systeme, verbindet die oberen und unteren Teile der Wertschöpfungskette von Entwurf, Simulation, Fertigung bis zu Service und lässt sie auf derselben Hauptlinie fließen und "nebeneinander existieren". Das Ingenieurteam kann auf einer einheitlichen Plattform die Kerninformationen teilen und abrufen, und Änderungen werden in Echtzeit synchronisiert. Simulation und Entscheidung werden auf der Grundlage einer ganzheitlichen Einsicht getroffen.
Die digitale Hauptlinie ist nicht einfach eine Datenleitung, sondern eine plattformübergreifende Fähigkeit. Teamcenter, als die Kernplattform der digitalen Hauptlinie von Siemens, entspricht dem "Kooperationsgehirn" des Unternehmens.
In der Konzeptentwicklung und Analysephase unterstützt es die parallele Entwicklung in mehreren Bereichen wie Mechanik, Elektrik und Software und kann durch einen Mechanismus zur Ausrichtung der Schlüsselinformationen eine genaue Kopplung aufrechterhalten.
Die mehrdomänige technische Stückliste (EBOM) ist das Kernzentrum der digitalen Hauptlinie. Obwohl die Ingenieure für die Produktentwicklung verantwortlich sind, wird das Produkt schließlich in der EBOM vollständig definiert und die Spezifikationen festgelegt. Daher ist die EBOM normalerweise das größte, am meisten genutzte und komplexeste System im Unternehmen. Durch die nahtlose Einbindung des EBOM-Datenflusses in das Produktlebenszyklusmanagement (PLM)-System der Firma wird eine vollständige und einheitliche Produktdefinition hergestellt, um sicherzustellen, dass jede Konfiguration und Änderung nachverfolgbar und überprüfbar ist.
Die digitale Hauptlinie erstreckt sich auch auf die Fertigungs- und Servicephase. Die Ingenieur- und Fertigungsabteilungen, der Prozessplanung und der Service können nahtlos zusammenarbeiten, und Änderungen werden automatisch synchronisiert.
Dieses Konzept wurde in der Praxis von OPmobility bestätigt. Das Unternehmen hat Teamcenter als Kernsystem für das Produktlebenszyklusmanagement angepasst. Der Geschäftsführer der Firma, Félicie Burelle, sagte: "Wir haben mit Siemens Teamcenter X eine standardisierte und einheitliche PLM-Lösung in unserem globalen Forschungs- und Entwicklungsnetzwerk implementiert. Dies trägt nicht nur zur Verbesserung der Effizienz und der Ergebnisse unseres Teams bei, sondern beschleunigt auch die Markteinführung unserer Produkte, was sowohl für die Produkte von OPmobility als auch für unsere Kunden von Vorteil ist."
Genau aufgrund dieser systemischen Fähigkeit erhielt Siemens den Digital Twin Technology Leadership Award 2023 von Frost & Sullivan. Die Organisation stellte fest, dass "Siemens eine wirklich umfassende Methode anbietet, indem es die traditionell isolierten Produkt- und Produktionsprozesse über eine integrierte digitale Hauptlinie verbindet", und dies ist das "ultimative Waffe" von Siemens, um in der Digital Twin-Branche führend zu sein.
Umgestaltung des Fertigungsmodells
Die digitale Hauptlinie hat den Datenfluss für den umfassenden Digital Twin geöffnet und die Systemtrennung beseitigt, aber allein reicht sie noch nicht. Um die Daten in geschäftlichen Wert umzuwandeln, benötigen Unternehmen noch einen "Ausführungsmotor", um den gesamten Prozess von Modellierung, Simulation, Test und Rückmeldung zu unterstützen. Simcenter ist genau die Schlüsselstrategie von Siemens in diesem Bereich.
Als die Kernplattform des umfassenden Digital Twin von Siemens integriert Simcenter die technische Simulation, die Leistungsvorhersage und die virtuelle Validierung tiefgehend, so dass das Produkt von Anfang an über eine präzise und kontrollierbare "Verhaltensvorhersagefähigkeit" verfügt.
Mithilfe von Simcenter wird auf der Grundlage der von der digitalen Hauptlinie verbundenen Daten ein digitales Abbildmodell des Produkts unter verschiedenen Betriebsbedingungen, in extremen Umgebungen und sogar über den gesamten Lebenszyklus hinweg erstellt, um eine vorausschauende Validierung, eine Leistungsoptimierung und eine Echtzeitrückmeldung zu ermöglichen und somit eine echte Fertigung in einem geschlossenen System zu unterstützen.
Einer der technischen Kerne ist das Herstellungs-Masterdatenmodell (MDM) und das allgemeine Fabrikmodell (CPM). Durch die Modellierung des Produkts und des Prozesses in Bezug auf die Stückliste BOM und die Arbeitsvorschrift BOP auf einer "einheitlichen Plattform" werden das Produkt-Digital Twin, das Prozess-Digital Twin und das Geräte-Digital Twin vollständig verbunden. Dieses System wird in der Praxis bereits weit verbreitet angewendet.
Im Bereich der Batterieherstellung ist der erste 80 % der Batterieladung normalerweise sehr schnell, während die letzten 20 % länger dauern, teilweise aufgrund der Wärme, die während des Ladevorgangs entsteht. Durch die Digital Twin-Modellierung des Stromteilers mit Simcenter wurde die Kühlleistung um 22 % verbessert und die Entwicklungszeit um 50 % verkürzt.
Im Verkehrssektor bemüht sich das kalifornische Startup Natilus darum, das Problem der hohen Luftfrachtkosten zu lösen. Mit dem Digital Twin-System können Kunden und Entwickler die Entwurfsdetails "immersiv" erleben und umfassend erkunden. Durch die Verwendung eines Flügel-Rumpf-Integrationsdesigns erhöhte sich die Frachtkapazität um 1,5 Mal, der Kraftstoffverbrauch wurde um die Hälfte reduziert und die Markteinführungszeit um 50 % verkürzt. Der Wohnmobilhersteller Hymer reduzierte bei der Entwicklung des Konzeptwohnmobils VisionVenture dank des umfassenden Digital Twin die Anzahl der physischen Prototypen um 80 % und die Entwicklungszeit für individuelle Varianten um 65 %.
Im Bereich der Konsumprodukte und der individuellen Fertigung nutzt das Prothesenhersteller Unlimited Tomorrow Digital Twin und 3D-Druck, um eine individuelle Gestaltung und Fertigung zu ermöglichen. Dadurch senkte sich die Kosten für die Prothese von 80.000 US-Dollar auf 8.000 US-Dollar, die Lieferzeit von maximal einem Jahr auf einige Wochen und das Gewicht der Prothese von 4 Pfund auf 1 Pfund, um den Kunden eine kostengünstige, leichte und hochwertige Prothese anzubieten.
In einem noch herausfordernderen Fall der Umstellung von der Produktion wechselte die vietnamesische Firma VinFast in nur drei Wochen von der Automobilproduktion zur Herstellung von Beatmungsgeräten. Dies wurde dank der schnellen Implementierung der Digital Twin-Lösung von Siemens erreicht, und schließlich wurde die monatliche Produktionskapazität auf 55.000 Ger