Gerald Schatz, Geschäftsführer der Linz Center of Mechatronics GmbH (LCM), über die Vorteile von Tests und Inbetriebnahme mithilfe eines digitalen Zwillings.
Digitalisierung hat in den letzten Monaten dank neuer Arbeitsbedingungen einen weiteren Schub erhalten – in anderen Bereichen, wie der Produktion gehört sie seit vielen Jahren zu den entscheidenden Schlüsselbegriffen. Die Möglichkeit per digitaler Simulation Testphasen günstiger und schneller zu gestalten und die Produktion laufend zu überwachen, ist einer dieser Vorteile und das Linzer Unternehmen LCM in diesem Bereich erfolgreich tätigt.
Wir haben nachgefragt welche Vorteile der sogenannte Digitale Zwilling mit sich bringt. Monica Rintersbacher, Geschäftsführerin Leitbetriebe Austria, im Gespräch mit Gerald Schatz, Geschäftsführer der LCM:
Monica Rintersbacher: Wer ist die LCM und welche Services und Produkte nehmen Ihre Kunden an Anspruch?
Gerald Schatz: Die Linz Center of Mechatronics GmbH ist ein Anbieter von F&E-Dienstleistungen in den Branchen Maschinen- und Anlagenbau, sowie Medizintechnik. Wir begleiten unsere Kunden von der Forschung, die wir in Kooperation mit einem internationalen Netzwerk an renommierten Universitäten durchführen bis zum fertigen Produkt und unterstützen sie bei der Inbetriebnahme. Die digitale Produktentwicklung, also der Einsatz von Software-Werkzeugen für die Entwicklung von Komponenten oder ganzen Systemen, zieht sich wie ein roter Faden durch die komplette Entwicklungstätigkeit bei LCM. Der so genannte digitale Zwilling wird für die gesamte Entwicklungskette verwendet, für das virtuelle Testen ebenso wie danach für die virtuelle Inbetriebnahme. Unsere 120 Mitarbeiter führen Projekte in folgenden Technologiefeldern durch: Integrierte elektrische und hydraulische Antriebssysteme, Schwingungstechnik, Regelungstechnik, IIOT, Lokalisation, Positionierung, Predictive Systeme und Gesamtsystementwicklung.
Was bedeuten digitale Produktentwicklung, virtuelles Testen und virtuelle Inbetriebnahme? Welcher konkrete Nutzen für Ihre Kunden steckt hinter diesen Entwicklungen?
Digitale Produktentwicklung bedeutet, mit Software-Tools ein Datenmodell des Produkts oder der Komponenten zu erzeugen. Dieses Modell verhält sich so wie sein reales Pendant. Ein Vorteil ist eine sehr gute Skalierbarkeit des Produkts: Varianten können rasch und effizient durch Änderung der Daten simuliert werden. Der modulare Designansatz und die schrittweise Erweiterung um einzelne Funktionen können so getestet und realisiert werden. Die teure Entwicklungszeit wird deutlich reduziert und erforderliche Änderungen des Produkts können schnell umgesetzt werden. Damit verringert sich die Time-to-market, der Schritt der für die zeitoptimierte Präsenz auf dem Markt wichtig ist. Da diese digitalen Abbilder der Realität in Bibliotheken gespeichert werden, stehen diese für späteres Reengineering zur Verfügung – die Leistungsdaten werden abgesichert.
Da die Produktion bereits während des Entwurfsprozesses eingebunden ist, wird alles gleich für die Produktion optimiert. So spart sich der Anwender erhebliche Kosten für die traditionelle Prototypenphase mit wiederkehrenden Optimierungsschleifen. Versuche an der laufenden Anlage fallen damit weg, die Sicherheit bei der Inbetriebnahme steigt und die Dauer wird um ein Vielfaches verkürzt.
Läuft dieser digitale Zwilling im Betrieb der Maschine mit, werden die Istdaten aus dem Betrieb mit den Solldaten des digitalen Abbilds verglichen. Abweichungen werden verifiziert und es wird eine korrekte Aussage über das Verhalten der Anlage getroffen.
Damit wird eine große Schwäche aller lediglich auf Datananalyse beruhenden Methoden behoben: Der von den realen Betriebsbedingungen losgelösten Mustererkennung in Istdaten und damit einhergehenden falschen Interpretation.
Welche typischen Beispiele für Ihr Angebot gibt es, welche Projekte haben Sie bei Unternehmen bereits umgesetzt?
Ich nenne einige Beispiele, die zeigen, dass bereits mit geringem Aufwand eine sehr gute Wirkung erreicht werden kann. Gemeinsam mit der Firma NG Green Innovations GmbH wurde eine Hackschnitzelfräse optimiert, indem wir diese als Digitalen Zwilling abgebildet haben. Mit einem Aufwand von rund 3 Wochen konnte die Transportrate bei gleicher Drehzahl um 60% und der Wirkungsgrad um 20% erhöht werden. Man erkennt: fokussiert man sich auf die kritischen Komponenten, wird sehr effizient und rasch ein erster Erfolg erzielt. Der vorliegende Zwilling kann natürlich für weitere Zwecke verwendet werden.
Ein ähnliches Beispiel ist die Firma Prinz GmbH. Das mittelständische Unternehmen ist Hersteller von Kettensägen mit sehr großen Schwertlängen. Durch die Abbildung des Schwertes und der Kette als Digitaler Zwilling wurden wichtige Verbesserungen beim Schneide-Setup und bei der Abnutzung der Kette, sowie der Lärm- und Schwingungsneigung erreicht. Quasi als Zusatzprodukt wurde ein sehr guter Einblick in den Schneideprozess gewonnen, als Basis für die Weiterentwicklung der Maschine. Das Expertenwissen – angesichts des Facharbeitermangels ein wichtiger Punkt – wurde damit nachhaltig gesichert.
Der weltweite erste autonome Digitale Zwilling für einen Abkantautomaten wurde für das Unternehmen Salvagnini Maschinenbau entwickelt. Die gesamte Anlage und der Prozess sind als digitales Pendant, das im Echtbetrieb in der Maschine mitläuft, abgebildet. Damit wurde eine adaptive automatisierte „one piece flow production“ erreicht. Die Materialparameter werden automatisch identifiziert. Gleichzeitig konnte Energieverbrauch der Anlage massiv verringert werden.
Gibt es auch Stolpersteine bei diesem Vorgehen, die besondere Beachtung brauchen?
Ja, man benötigt Personal, IT-Infrastruktur sowie die erforderliche Software und laufende Schulungen des IT- und Simulationspersonals. Die Kosten dafür können erheblich sein. Daher empfehlen wir die ersten Schritte mit einem Partner durchzuführen und das Know How im eigenen Haus schrittweise aufzubauen.
Was nützt die Entwicklung eines digitalen Zwilllings für die weiteren Schritte in der Entwicklung hin zum fertigen Produkt?
Liegt ein digitaler Zwilling vor, ist der naheliegende nächste Schritt das Datenmodell auch gleich zu testen: man spricht vom virtuellen Test. Vorteil dieser Methode ist, dass man diese Tests automatisiert durchführen und parallelisieren kann. Die Testzeit wird somit um ein Vielfaches reduziert. Analog verhält es sich mit der virtuellen Inbetriebnahme einer Anlage: je nach Anforderungen kann die gesamte Steuerungssoftware in den Zwilling integriert und damit gleich die reale Situation beim Betrieb der Anlage möglichst gut abgebildet werden. Über Machine-Learning-Algorithmen können diese Testszenarien automatisch erzeugt werden.
Wie wird sich der Markt in diesem Bereich entwickeln? Bleibt dies eine Methode der internationalen Konzerne und einiger weniger KMUs?
Aufgrund des zunehmenden Kostendrucks und der steigenden Anforderungen an die Individualisierung von Produkten werden sich digitale Methoden stark verbreiten. Der steigende Mangel an Experten und die bevorstehenden Pensionierungen von erfahrenem Personal sind ein zusätzlicher Faktor. Wie in den Beispielen angeführt, sind diese Methoden gerade für KMUs ein wesentlicher Hebel für die Zukunftssicherung. Bei schrittweiser Einführung der digitalen Produktentwicklung und geschickter Nutzung von Partnernetzwerken sind die Kosten überschaubar.
Vielen Dank für das Gespräch!
Fazit:
Mittels eines digitalen Zwillings lässt sich bei richtigem Einsatz also sowohl die Testphase günstiger und schneller gestalten, als auch die Produktion permanent überwachen, um mögliche Schäden und Fehler schon vor ihrem auftreten zu bemerken und zu beheben. Notwendig dafür ist eine kompetente und auf Erfahrung aufbauende Implementierung im Unternehmen inklusive entsprechender Schulung der Mitarbeiter. Sinnvoll sind diese Methoden dabei nicht nur für große Unternehmen, sondern auch für KMUs und Unternehmen in Partnernetzwerken, die sich damit Vorteile am Markt sichern.
