Fester Bestandteil von Industrie 4.0

Die SPS und der digitale Zwilling

Ohne den digitalen Zwilling wird zukünftig im Maschinenbau nichts mehr funktionieren. Der digitale Zwilling, das Simulationsmodell in Echtzeit, wird jede Maschine von der Planung bis zum laufenden Betrieb hin begleiten. Das gilt nicht nur für Entwicklungen bei den großen Playern, sondern besonders für die Arbeitsprozesse bei den mittelständischen und kleinen Unternehmen.
Blick durch die HoloLens
Blick durch die HoloLens

Gerade kleine und mittelständische Unternehmen haben oftmals Hemmungen, sich an das Thema Simulationsmodell heranzuwagen. Doch das ist völlig unnötig. Mithilfe des digitalen Zwillings wird es zukünftig möglich sein, den gesamten Prozess zu optimieren: Von der effizienten Planungsphase über eine unkomplizierte virtuelle Inbetriebnahme und kurze Wartungszeiten bis hin zu einem reibungslosen Betrieb steht das Simulationsmodell in Echtzeit zur Verfügung. Kein Unternehmen wird sich zukünftig der digitalen Transformation verschließen können. Denn nur so können die immer kürzeren Durchlaufzeiten, die komplexeren Anforderungen und der Konkurrenzdruck bewältigt werden.

Digitaler Zwilling der Verpackungsmaschine
Digitaler Zwilling der Verpackungsmaschine

Wie entsteht der digitale Zwilling?

Die Machineering GmbH und Co. KG, Experte für Simulation und Automation, zeigt, wie der Maschinenbauer mithilfe der Simulationssoftware industrialPhysics Schritt für Schritt zu seinem Simulationsmodell, dem digitalen Zwilling, kommt. Mit der ersten Idee zur Konstruktion der späteren Maschine werden alle generierten CAD-Daten bidirektional mithilfe einer Schnittstelle von dem CAD-System in die Simulationssoftware übertragen. Der große Vorteil liegt darin, dass Änderungen am simulierten Modell unmittelbar auch im CAD-System zur Verfügung stehen. Somit entfällt das redundante Ändern des Modelles und allen Mitgliedern des mechatronischen Teams steht jederzeit die aktuellste Version als Arbeitsgrundlage zur Verfügung. industrialPhysics verfügt derzeit über Schnittstellen zu den gängigsten CAD-Systemen wie SolidWorks, Inventor, Solidegde, Pro/E und auch IronCAD. Weitere Schnittstellen sind geplant. Neben der Anbindung der diversen CAD-Systeme sind verschiedene interne und reale Steuerungen von beispielsweise Beckhoff, Siemens, B&R, Schneider Electric, Rockwell, Bosch Rexroth über TCP/IP oder auch über Feldbussysteme wie Profinet oder Ethernet/IP angebunden. Auch verfügt industrialPhysics über eine ePlan-Schnittstelle. Zusätzlich steht den Nutzern eine Bibliothek von Robotermodellen von z.B. Kuka, Fanuc, Stäubli, ABB, Yaskawa und Denso zur Verfügung sowie die integrierte Anbindung von realen Robotersteuerungen wie z.B. ABB oder Stäubli. Mithilfe der Vielzahl der angebundenen Systeme und Steuerungen ist es für den Konstrukteur schnell möglich, den digitalen Zwilling der geplanten Maschine zu generieren. Die Kosten für die Lizenz und die Wartung der Simulationssoftware amortisieren sich dabei zügig, meist schon mit dem ersten Projekt. Man bedenke nur die Kosten einer problematischen realen Inbetriebnahme, die sich durch die virtuelle Inbetriebnahme vermeiden lassen.

Digitaler Zwilling vom Sigpack LDF
Digitaler Zwilling vom Sigpack LDF

Welche Vorteile hat der Einsatz des digitalen Zwillings?

In einer von Machineering durchgeführten Feldstudie ergaben sich folgende Wettbewerbsvorteile für Unternehmen:

  • Verkürzung der Zeit für die Inbetriebnahme um bis zu 75 Prozent
  • Verringerung der Gesamtdurchlaufzeit um ca. 15 Prozent
  • Steigerung der Softwarequalität um mehr als 40 Prozent
  • Senkung der Kosten

Denn durch die Simulationssoftware industrialPhysics werden Planungs-, Realisierungs- und Ablaufprozesse exakt dargestellt. Vor allem in der Entwicklungsphase ermöglicht die Simulationssoftware als Plattform einen schnellen Informationsaustausch und eine effektive Kommunikation innerhalb des mechatronischen Teams. Darüber hinaus können durch den Einsatz von industrialPhysics mögliche Veränderungen an den Abläufen des Unternehmens getestet und die Auswirkungen in der virtuellen Welt analysiert werden, ohne Veränderungen an der realen Maschine vornehmen zu müssen. Arbeitsgeschwindigkeiten, Maschinentaktzeiten und Materialfluss lassen sich so visualisieren und optimieren. Und nicht nur im Produktionsprozess profitieren die Anwender von den vereinfachten Abläufen durch den Einsatz der Software.

Simulierte Verpackungsanlage
Simulierte Verpackungsanlage

Digitaler Zwilling in der virtuellen Welt

Inzwischen geht die Entwicklung sogar noch einen Schritt weiter. Den Anwendern steht nicht nur das exakte Modell der realen Maschine als digitaler Zwilling zur Verfügung, sondern mit der Anbindung von VR-/AR-Brillen an industrialPhysics taucht der Anwender noch tiefer in die simulierte Anlage ein – in die Maschine in der virtuellen Realität. Mit den Brillen beschreitet Machineering neue Wege. Ob sich nun ein Anwender für die VR- oder die AR-Technologie entscheidet, hängt von der persönlichen Präferenz ab. Derzeit hat Machineering drei verschiedene VR-/AR-Brillen an die Software angebunden: Die ersten beiden Modelle, die HTC Vive wie auch die Oculus Rift, basieren auf einem Virtual Reality (VR)-System mit einem Head-Mounted-Display. Durch die Brille ist der Anwender komplett von der Außenwelt abgeschnitten und bewegt sich frei im virtuellen Raum, beispielsweise in einer Produktionshalle im laufenden Betrieb. Der Vorteil besteht darin, dass der Anwender so tief in die Anlage eintauchen und auch kleine und versteckte Bereiche untersuchen kann, ohne von der Umgebung abgelenkt werden zu können. Diese fokussierte Betrachtung erleichtert die Problemidentifizierung erheblich. Das dritte Modell, die Microsoft HoloLens ist ein Augmented Reality (AR-)System, also die computergestützte Erweiterung der Realitätswahrnehmung, durch das der Benutzer mit der Unterstützung durch ein Natural User Interface interaktive 3D-Projektionen in der direkten Umgebung darstellen kann. Der Nutzer blickt durch transparente Bildschirme, durch die die Projektionen dann direkt zu sehen sind. Die Microsoft HoloLens wird über Gesten, Sprache, Kopf- und Augenbewegung gesteuert. Hier liegt der Vorteil darin, dass der Betrachter trotz VR-Brille seine Umwelt wahrnimmt und mit weiteren Betrachtern interagieren kann.

Simulierte Roboteranlage
Simulierte Roboteranlage

Der ganzheitliche Engineering-Ansatz

Machineering setzt schon länger auf den ganzheitlichen Engineering-Ansatz. Dabei übernimmt der digitale Zwilling eine komplett neue Rolle in der Anlagenentwicklung, die weit über eine reine Überprüfungsfunktion hinausgeht. Die Simulation steht dabei als eine bereichsübergreifende Plattform zur Verfügung, auf der zu jedem Zeitpunkt der aktuelle Entwicklungsstand verifiziert und auf Realisierbarkeit mit weiteren Bereichen überprüft wird. Über Tests in einem Simulationsmodell, welches das Verhalten des Systems realistisch abbildet, ist dabei stets eine sofortige Rückkopplung gewährleistet – und zwar ohne langwieriges Speichern, Umformatieren und Laden von Datenmodellen. Dabei greifen die Fachbereiche Mechanik, Elektrik und Software zeitgleich auf dieselben Modelle zurück, die sie jeweils in ihrer nativen Entwicklungsumgebung bearbeiten, gemeinsam weiterentwickeln und mittels der Simulation sofort im Zusammenspiel testen. So wird der aktuelle Entwicklungsstand in der Mechatronik-Entwicklung bereits in den frühesten Phasen des Entwicklungsprozesses interdisziplinär getestet. Durch diese kontinuierliche Inbetriebnahme lässt sich letztlich der Aufwand gegenüber der üblicherweise finalen Inbetriebnahme deutlich reduzieren – sowohl zeitlich als auch kostentechnisch. Denn durch den permanenten Abgleich des Arbeitsstandes werden jederzeit Machbarkeit und Erreichbarkeit der Ziele überprüft.

Blick durch die HoloLens
Blick durch die HoloLens

Ein Beispiel aus der Praxis – Bosch Packaging Technology GmbH

Die Bosch Packaging Technology GmbH hat die digitale Transformation schon längst vollzogen – und setzt dabei von Beginn an auf industrialPhysics. Seit mehr als zwei Jahren nutzt der Verpackungsmaschinenhersteller die Simulationssoftware. Die Software kommt hauptsächlich in der Entwicklung zum Test der Steuerungssoftware der Maschinen zum Einsatz, aber auch bei der Evaluierung von Produktverhalten bei verschiedenen Konstruktionen sowie der Auslegung von Maschinen. Die Simulation hilft dabei, Rückschlüsse auf die Ausbringungsmenge zu ziehen. Durch den Einsatz von industrialPhysics können nun die Arbeiten parallel ablaufen (Simultaneous Engineering), was sowohl Kosten als auch die reale Inbetriebnahmezeit reduziert. Der größte Benefit für Bosch ist der HIL-Softwaretest an der virtuellen Maschine inklusive der Simulation des Produkttransports. So können frühzeitig Tests an der Steuerungssoftware vorgenommen und bei Bedarf reagiert werden.

YouTube-Film und Erläuterung der Szene

Ein Blick durch die HoloLens zeigt: mit der physikbasierten Simulationssoftware industrialPhysics können mechatronische Anlagen nicht nur in Echtzeit simuliert, sondern virtuell begangen werden. In diesem YouTube Film taucht der Anwender tief in eine Robotersimulation in der virtuellen Umgebung ein. Dabei wird auch deutlich, dass der User die Perspektive jederzeit intuitiv steuern kann.

www.youtube.com

Fazit: Ohne digitalen Zwilling geht es nicht

Auch wenn sich viele Unternehmen noch gegen die digitale Transformation wehren – lange wird das nicht mehr funktionieren. Der Einsatz des digitalen Zwillings ist der große Schritt in Richtung Industrie 4.0, den jedes Unternehmen gehen muss, um auf dem Markt bestehen zu können. Niemand wird es sich noch erlauben können, auf eine reale Inbetriebnahme zu setzen, um dann langwierige und kostenintensive Änderungen vornehmen zu müssen, die durch eine vorhergehende Simulation hätten vermieden werden können. Mit dem digitalen Zwilling steht eine perfekte virtuelle Abbildung der (geplanten) Maschine zur Verfügung. Der Hersteller bietet so mehr Effizienz in der Entwicklung, der virtuellen Inbetriebnahme, der Fertigung und Service – auch im After Sales.

machineering GmbH & Co. KG
http://www.machineeing.de

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