Intelligente Fabriken und digitale Zwillinge: Wie globale Giganten KI zur Simulation und Optimierung der Produktion nutzen

Im globalen Wettbewerb der Fertigungsindustrie werden intelligente Fabriken und digitale Zwillingstechnologien zu strategischen Hochburgen, um die sich die Branchenriesen reißen. Diese Technologien haben nicht nur die traditionellen Produktionsmethoden grundlegend verändert, sondern den Unternehmen auch beispiellose Effizienzsteigerungen und Kosteneinsparungen gebracht. Dieser Artikel befasst sich eingehend damit, wie weltweit führende Unternehmen ihre Produktionsprozesse mithilfe von KI-gestützten digitalen Zwillingstechnologien umgestalten und eine vollständige Prozessoptimierung vom Design bis zur Fertigung erreichen.

Digitale Zwillingstechnologie: Eine virtuelle und reale Fertigungsrevolution

Ein digitaler Zwilling (Digital Twin) ist im Wesentlichen eine virtuelle Kopie eines physischen Objekts oder Systems in der digitalen Welt. Diese Technologie wurde erstmals von der NASA für die Fernüberwachung und Simulation von Raumfahrzeugen eingesetzt und findet heute breite Anwendung in der Fertigungsindustrie. In intelligenten Fabrikumgebungen wirkt sich die digitale Zwillingstechnologie wie folgt aus:

• Echtzeitabbildung des Betriebszustands und der Leistungsparameter physischer Geräte
• Simulation von Produktionsszenarien und Vorhersage potenzieller Probleme
• Optimierung von Produktionsprozessen und Ressourcenallokation
• Unterstützung von Fernüberwachung und Entscheidungsfindung

Laut einer Prognose von Gartner werden bis 2025 mehr als 70 % der Hersteller digitale Zwillingstechnologien einsetzen, was einer Verdoppelung gegenüber 35 % im Jahr 2021 entspricht. Diese Zahl verdeutlicht die Marktakzeptanz und das Entwicklungspotenzial der Technologie.

Siemens: Ein Vorreiter für digitale Zwillinge

Der deutsche Industriegigant Siemens ist ein früher Anwender und Branchenmaßstab für digitale Zwillingstechnologien. Die Digital-Twin-Strategie von Siemens umfasst die drei Dimensionen Produkt, Produktion und Leistung und bildet ein geschlossenes Kreislaufsystem.

Werk Amberg: Ein Paradebeispiel für digitale Zwillinge

Das Siemens-Elektronikwerk in Amberg, Deutschland, gilt als Maßstab für die "Industrie 4.0". Dieses Werk hat durch digitale Zwillingstechnologie die digitale Integration von Produkt und Produktion realisiert:

• Jede Produktionslinie und jedes Gerät hat einen entsprechenden digitalen Zwilling
• Produktkonstruktionsänderungen können in einer virtuellen Umgebung schnell getestet und die Machbarkeit überprüft werden
• Die Optimierung der Produktionsprozesse erfolgt zunächst in einem digitalen Zwilling simuliert und validiert
• KI-Algorithmen analysieren kontinuierlich Betriebsdaten, prognostizieren die Geräteleistung und optimieren Wartungspläne

Daten zeigen, dass das Werk Amberg mit der digitalen Zwillingstechnologie erstaunliche Ergebnisse erzielt hat:

• Verkürzung der Produkteinführungszeit um 50 %
• Steigerung der Effizienz in der Konstruktion um 30 %
• Erhöhung der Produktionsflexibilität um 20 %, wodurch gleichzeitig mehr als 1000 verschiedene Produkte hergestellt werden können
• Steigerung der Produktionsqualität um 15 % und Reduzierung der Fehlerrate auf wenige Teile pro Million

Der Chief Digital Officer von Siemens sagte einmal: "Der digitale Zwilling ist nicht nur ein technisches Werkzeug, sondern der Kern der digitalen Transformation von Unternehmen. Er verändert die Art und Weise, wie wir Produkte entwerfen, herstellen und warten."

General Electric: Der digitale Zwilling eines intelligenten Windparks

Die Anwendung von digitalen Zwillingen von General Electric (GE) im Bereich der Windkrafterzeugung ist ein weiteres bemerkenswertes Beispiel. Das Windpark-Digital-Twin-System von GE kann den Betriebszustand des gesamten Windparks simulieren, einschließlich der Leistungsparameter jeder Windkraftanlage, der Umweltfaktoren des Windparks und des Netzzustands.

Datengesteuerte Leistungsoptimierung

Das Windpark-Digital-Twin-System von GE erfasst täglich über 400 GB Daten. KI-Algorithmen analysieren diese Daten, um:

• Vorhersage der Auswirkungen von Wetteränderungen auf die Stromerzeugung
• Echtzeit-Anpassung des Rotorblattwinkels der Windkraftanlage basierend auf Windrichtung und -stärke
• Identifizierung potenzieller Fehler und Planung vorbeugender Wartung
• Optimierung der Energieerzeugung des gesamten Windparks

In einem großen Windparkprojekt in Texas, USA, half dieses System dem Betreiber, Folgendes zu erreichen:

• Steigerung der Gesamtstromerzeugung um 8 %
• Reduzierung der Wartungskosten um 20 %
• Verlängerung der Lebensdauer der Windkraftanlagen um 15 %
• Reduzierung der Betriebsstillstandszeit um 40 %

Der Chief Technology Officer von GE Wind Power sagte: "Die digitale Zwillingstechnologie ermöglicht es uns, verschiedene hypothetische Szenarien in einer virtuellen Umgebung zu testen und die besten Betriebsparameter zu ermitteln. Das war früher undenkbar."

Tesla: Echtzeitoptimierung der Produktionslinie

Tesla hat die digitale Zwillingstechnologie tief in KI integriert, um ein hochautomatisiertes intelligentes Fabriksystem zu schaffen. Das "Production Line Digital Twin"-System im Tesla-Werk Fremont ist ein Kernbestandteil seiner Strategie "Roboter, die Roboter herstellen".

Echtzeit-angepasste Produktionslinie

Der digitale Zwilling der Tesla-Produktionslinie hat folgende Eigenschaften:

• Jede Produktionslinie ist mit Tausenden von Sensoren ausgestattet, die Produktionsdaten in Echtzeit erfassen
• Das KI-System analysiert den Datenfluss, um Produktionsengpässe und Qualitätsmängel zu erkennen
• Das digitale Modell kann die Auswirkungen verschiedener Produktionsparameter auf die Produktqualität vorhersagen
• Das System kann die Produktionsparameter automatisch anpassen, um ein dynamisches Gleichgewicht der Produktionslinie zu erreichen

Laut dem Investorenbericht von Tesla aus dem Jahr 2023 umfassen die Ergebnisse seines digitalen Zwillingssystems Folgendes:

• Steigerung der Effizienz der Model-Y-Produktionslinie um etwa 40 %
• Verkürzung der Zeit für die Neukonfiguration der Produktionslinie von Wochen auf Tage
• Optimierung des Wartungsplans zur Reduzierung der Ausfallzeiten um etwa 30 %
• Reduzierung der Fehlerrate um 23 % durch prädiktive Qualitätskontrolle

Der Chefingenieur von Tesla sagte auf einem Technologiegipfel: "Unsere Fabrik ist nicht nur ein Ort, an dem Autos hergestellt werden, sondern auch ein riesiges Lernsystem. Der digitale Zwilling ermöglicht es unserer Fabrik, aus ihren eigenen Erfahrungen zu lernen und die Produktionsprozesse kontinuierlich zu optimieren."

Procter & Gamble: Die digitale Revolution in der Konsumgüterherstellung

Procter & Gamble (P&G) hat die digitale Zwillingstechnologie auf Produktionslinien für schnelllebige Konsumgüter angewendet und das sogenannte "The Digital Engine"-System entwickelt, das ein Paradebeispiel für die digitale Transformation der traditionellen Fertigungsindustrie darstellt.

Flexible Produktionsbasis

Das digitale Zwillingssystem von P&G deckt den gesamten Prozess vom Rohmaterial bis zum Endprodukt ab:

• Simulation der Produktionsmachbarkeit verschiedener Rezepturen und Verpackungsoptionen
• Vorhersage der Produktionslinienwechselzeiten und -kosten
• Optimierung der Planungsstrategie für die Mehr-SKU-Produktion
• Echtzeitüberwachung der Produktqualität und Produktionseffizienz

P&G hat weltweit mehr als 100 Fabriken und seine digitale Zwillingsstrategie wurde in 70 % der Fabriken umgesetzt. Ein typisches Erfolgsbeispiel ist das Werk für Haushaltspflegeprodukte in Kalifornien, das durch digitale Zwillingstechnologie Folgendes erreicht hat:

• Verkürzung der Produkteinführungszeit um 35 %
• Steigerung der Produktionslinienauslastung um 23 %
• Reduzierung der Produktwechselzeiten um 50 %
• Reduzierung des Energieverbrauchs um 17 %

Der Chief Supply Chain Officer von P&G erwähnte im Jahresbericht 2023: "Die digitale Zwillingstechnologie hat unsere Produktionsweise grundlegend verändert. Sie ermöglicht es uns, schnell auf Veränderungen der Marktnachfrage zu reagieren und gleichzeitig eine optimale betriebliche Effizienz aufrechtzuerhalten."

Bosch: Ein digitales Zwilling-Netzwerk über Fabriken hinweg

Der deutsche Industriekonzern Bosch hat ein digitales Zwilling-Netzwerk über Fabriken hinweg aufgebaut, das mehr als 240 Fabriken weltweit miteinander verbindet und so ein echtes "globales intelligentes Fertigungsnetzwerk" bildet.

Wissensaustausch und kollaborative Optimierung

Das digitale Zwilling-Netzwerk von Bosch repliziert nicht nur die physischen Einheiten einzelner Fabriken, sondern etabliert auch einen Wissensaustauschmechanismus über Fabriken hinweg:

• Produktionsdaten verschiedener Fabriken werden zentral analysiert, um Best Practices zu identifizieren
• Prozessverbesserungen in einer Fabrik können durch digitale Zwillinge schnell auf andere Fabriken übertragen werden
• KI-Systeme können die Leistungskennzahlen verschiedener Fabriken vergleichen und Verbesserungsvorschläge unterbreiten
• Die Optimierung der globalen Lieferkette wird durch kollaborative Simulationen der digitalen Zwillinge mehrerer Fabriken unterstützt

In einem Experiment zwischen zwei ähnlichen Fabriken von Bosch in Deutschland und China wurde durch digitale Zwillingstechnologie Folgendes erreicht:

• Steigerung der Produktionseffizienz um 18 %
• Verbesserung der Qualitätskonsistenz um 12 %
• Reduzierung des Energieverbrauchs um 15 %
• Verkürzung der Zeit für die globale Einführung neuer Prozesse von durchschnittlich 6 Monaten auf 6 Wochen

Der Senior Vice President of Manufacturing Technology von Bosch sagte: "Der digitale Zwilling ermöglicht es uns, geografische Einschränkungen zu überwinden und die globalen Best Practices schnell auf jede Produktionsstätte zu übertragen. Dies ist der Eckpfeiler unserer digitalen Transformationsstrategie."

Die technische Architektur digitaler Zwillinge

Um ein voll funktionsfähiges digitales Zwillingssystem zu realisieren, ist eine mehrschichtige technische Architektur erforderlich:

Wahrnehmungsschicht

Diese Schicht ist für die Erfassung von Daten aus der physischen Welt verantwortlich und umfasst in der Regel:

• Industrielle IoT-Sensornetzwerke (IIoT)
• Machine-Vision-Systeme
• RFID- und Barcode-Scansysteme
• Bedienereingabeterminals

Laut IDC-Statistiken gab es bis Ende 2023 weltweit mehr als 12 Milliarden vernetzte industrielle IoT-Geräte, von denen etwa 40 % zur Unterstützung von Digital-Twin-Anwendungen eingesetzt werden.

Datenverarbeitungsschicht

Verantwortlich für die Verarbeitung und Integration großer Datenmengen aus der Wahrnehmungsschicht:

• Edge-Computing-Systeme für die Echtzeit-Datenverarbeitung
• Cloud-Plattform für die groß angelegte Datenspeicherung und -analyse
• Tools zur Datenbereinigung und -standardisierung
• Zeitreihendatenbanken und Data Lakes

Modellschicht

Dies ist der Kern des digitalen Zwillings, einschließlich:

• Physikalisches Modell: Simulation basierend auf physikalischen Gesetzen
• Statistisches Modell: Vorhersage basierend auf historischen Daten
• KI-Modell: Entdeckung komplexer Beziehungen durch maschinelles Lernen
• Hybridmodell: Integriertes Modell, das die oben genannten Methoden kombiniert

Visualisierungs- und Interaktionsschicht

Verantwortlich für die Darstellung des digitalen Zwillings für den Benutzer:

• 3D-Visualisierungsplattform
• AR/VR-Interaktionssystem
• Mobile Anwendungen
• Konsolen und Dashboards

Implementierungsherausforderungen und -lösungen

Obwohl die digitale Zwillingstechnologie vielversprechend ist, gibt es bei der Implementierung noch viele Herausforderungen:

Datenqualität und -kompatibilität

Problem: Daten, die von verschiedenen Geräten und Maschinen unterschiedlichen Alters erzeugt werden, weisen unterschiedliche Formate und Qualitäten auf, was die Integration erschwert.

Lösung:

• Bereitstellung von Edge-Gateways zur Vereinheitlichung von Datenformaten und -protokollen
• Verwendung von KI-gestützten Tools zur Datenbereinigung und -validierung
• Erstellung einheitlicher Datenstandards und industrieller semantischer Modelle
• Implementierung von Prozessen zur Sicherstellung der Datenqualität

Die "Predix"-Plattform von General Electric hat das Problem der Datenstandardisierung durch ihr "Digital Twin Blueprint"-Framework erfolgreich gelöst und eine nahtlose Integration von Gerätedaten unterschiedlichen Alters ermöglicht.

Modellgenauigkeit und Recheneffizienz

Problem: Hochgenaue Modelle erfordern erhebliche Rechenressourcen, aber industrielle Umgebungen erfordern Echtzeitreaktionen.

Lösung:

• Verwendung einer Multi-Precision-Modellstrategie zur Auswahl der geeigneten Genauigkeit für verschiedene Anforderungen
• Nutzung von Edge Computing zur Verarbeitung von Echtzeitanforderungen und Cloud Computing zur Verarbeitung komplexer Analysen
• Verwendung von Modellkomprimierungs- und -optimierungstechniken
• Entwicklung adaptiver Abtaststrategien zur Reduzierung der Datenverarbeitungsmenge

Die "Mindsphere"-Plattform von Siemens verwendet die "Dynamic Precision Adjustment"-Technologie, um eine hohe Wiedergabetreue für kritische Parameter aufrechtzuerhalten und gleichzeitig den Rechenressourcenverbrauch für nicht kritische Parameter zu reduzieren.

Sicherheit und Datenschutz

Problem: Digitale Zwillinge enthalten zentrale Produktionsdaten, wodurch das Sicherheitsrisiko hoch ist.

Lösung:

• Implementierung einer mehrschichtigen Sicherheitsschutzstrategie
• Verwendung von Datenverschlüsselungs- und Zugriffskontrolltechnologien
• Einrichtung von Sicherheitsprüf- und Überwachungsmechanismen
• Entwicklung von Tools zur Datenanonymisierung und -desensibilisierung

Die von Bosch entwickelte "Sichere digitale Zwillingsarchitektur" nutzt die Blockchain-Technologie, um den sicheren Datenaustausch zu gewährleisten und gleichzeitig einen kontrollierten Wissensaustausch zwischen verschiedenen Fabriken zu ermöglichen.

Zukunftsaussichten: Die Entwicklung digitaler Zwillinge

Die digitale Zwillingstechnologie entwickelt sich in Richtung intelligenter und autonomer:

Autonomer digitaler Zwilling

Zukünftige digitale Zwillinge werden eine höhere Autonomie aufweisen:

• Möglichkeit, Produktionsparameter selbst anzupassen, um einen optimalen Betrieb zu erreichen
• Aktive Identifizierung von Optimierungsmöglichkeiten und Unterbreitung von Verbesserungsvorschlägen
• Ausführung routinemäßiger Entscheidungen ohne menschliches Eingreifen
• Kontinuierliche Verbesserung des eigenen Modells durch Reinforcement Learning

Bereichsübergreifende Konvergenz digitaler Zwillinge

Digitale Zwillinge werden die Beschränkungen einzelner Bereiche überwinden:

• Integration von digitalen Zwillingen für Produkte, Produktion und Lieferkette
• Verbindung mit externen digitalen Zwillingen wie Städten und Energienetzen
• Bildung eines größeren digitalen Ökosystems
• Unterstützung umfassenderer Optimierungsentscheidungen

Intelligente Fabrik der Mensch-Maschine-Kollaboration

Digitale Zwillinge werden zum Medium der Zusammenarbeit zwischen Mensch und intelligenten Systemen:

• Ermöglichung einer intuitiven Mensch-Maschine-Interaktion durch AR/VR
• Unterstützung der Zusammenarbeit zwischen Remote-Experten und lokalen Bedienern
• Bereitstellung kontextbezogener intelligenter Entscheidungsunterstützung
• Befähigung von Arbeitern, zu Kernelementen digitalisierter Fabriken zu werden

Fazit

Die digitale Zwillingstechnologie verändert die globale Fertigungslandschaft. Von Siemens und General Electric bis hin zu Tesla und Procter & Gamble nutzen Branchenriesen diese Technologie, um neue Wettbewerbsvorteile zu schaffen. Für Fertigungsunternehmen ist der digitale Zwilling nicht nur ein technisches Werkzeug, sondern auch ein strategisches Kapital. Er wird zum Nervenzentrum der intelligenten Fabrik der Zukunft und treibt das Produktionssystem in eine effizientere, flexiblere und nachhaltigere Richtung.

Mit dem kontinuierlichen Fortschritt der KI-Technologie und der breiten Einführung des industriellen IoT haben wir allen Grund zu der Annahme, dass sich der digitale Zwilling in den nächsten zehn Jahren von einem Differenzierungsmerkmal für fortschrittliche Fertigungsunternehmen zu einem Industriestandard und einer grundlegenden Fähigkeit entwickeln wird. Unternehmen sollten den Wert des digitalen Zwillings aus strategischer Sicht erkennen und ihn als Kernelement der digitalen Transformation nutzen, um echte intelligente Fertigungskompetenzen aufzubauen.

Referenzmaterialien

1. Gartner. (2023). "Vorhersagen 2024: Digitale Zwillinge werden die Fertigungsabläufe verändern."

2. McKinsey & Company. (2023). "Digitale Zwillinge: Das Fundament der intelligenten Fertigung."

3. Siemens AG. (2023). "Digital Enterprise: Der umfassende digitale Zwilling."

4. GE Digital. (2023). "Digitaler Zwilling: Die physische und die digitale Welt zusammenbringen."

5. Tesla, Inc. (2023). "Bericht über die Fertigungseffizienz 2023."

6. Procter & Gamble. (2023). "Jahresbericht: Digitale Transformation in der Fertigung."

7. Bosch. (2023). "Vernetzte Fertigung: Globales Fabriknetzwerk."

8. IDC. (2023). "Worldwide Internet of Things Spending Guide."