+++Anzeige+++ 19.10.2020, 00:01 Uhr

Mit Blick aufs Ganze: Digitale Zwillinge im mittelständischen Maschinenbau

Die Entwicklung intelligenter Produkte durch Advanced System Engineering ist auch in der Maschinenbauindustrie auf dem Vormarsch. Ob Werkzeug-, Verpackungs- oder Sondermaschinen – mithilfe von umfangreicher Maschinensimulation wird das physikalisch Machbare ausgereizt. Neue intelligente Produkteigenschaften, eine vorausschauende Wartung und höhere Taktraten sind nur einige der Vorteile, die dieser Wandel von Produkten und Dienstleistungen mit sich bringt. Doch auch die Entwicklungsprozesse müssen mit den Veränderungen Schritt halten, die Auswirkungen auf die gesamte Organisationsstruktur innerhalb eines Unternehmens haben.

Foto: MX3D

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Eine Schlüsselrolle für Maschinenbauunternehmen spielt hierbei der digitale Zwilling und die Fähigkeit, ein besseres Systemverständnis für die Konstruktion zu erhalten. Der digitale Zwilling ist das virtuelle Abbild eines Produkts und unterstützt die Entscheidungsfindung während der Entwicklung und im realen Betrieb. Er erlaubt wichtige Rückschlüsse im Gesamtsystem, die für die Entwicklung neuer Produktgenerationen und die Optimierung der Leistungsfähigkeit fertiger Produkte genutzt werden können. Dabei unterscheidet sich die Nutzung der digitalen Zwillinge ebenso wie das zugrundeliegende Modell von Unternehmen zu Unternehmen erheblich, da der Einsatz meist auf die jeweilige Zielsetzung zugeschnitten ist. Ein digitaler Zwilling kann dabei simulations- oder (betriebs-)datengetrieben sein. Datengetriebene Zwillinge zeichnen sich durch ein genaues, wirklichkeitsgetreues und spezifisches Abbild aus. Simulationsgetriebene Zwillinge stellen Produkte genähert und allgemeiner dar, sind dafür allerdings schnell, kosteneffizient und jederzeit reproduzierbar.

Um das Potenzial eines digitalen Zwillings vollständig ausschöpfen zu können, verfolgt das Unternehmen Altair mit einer Digital-Twin-Integrationsplattform und einer Kombination aus daten- und simulationsgetriebenem Zwilling einen neuen Ansatz, der die Vorteile beider Welten in sich vereint. Unternehmen können dank dieser Verbindung auf verschiedene IoT-Lösungen zurückgreifen und sowohl in der Entwicklung als auch im Betrieb ihres Produktes von den zahlreichen Möglichkeiten profitieren.

Grundlage dafür sind die Altair-CAE-Maschinenbau Lösungen, die ein ganzheitliches Systemverständnis und Optimierungen am realistischen Gesamtmodell ermöglichen. Durch die genaue 3D-Simulation und Modellverknüpfungen von mechanischer Konstruktion, Antriebsentwicklung und Regelungstechnik sowie deren Zusammenspiel, können Wechselwirkungen identifiziert und zur zielgerichteten Verbesserung des Produktes genutzt werden.

Foto: MX3D

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Verkürzte Prozesse – von Tagen zu Stunden

Ein Beispiel für einen digitalen Zwilling findet sich in der Entwicklung eines kundenspezifischen Roboterarms. In einem gemeinsamen Projekt von ABB, MX3D und Altair sollte ein Roboterarm additiv im Wire-Arc-Additive-Manufacturing (WAAM)-Verfahren hergestellt und das Gesamtsystem hinsichtlich einer höheren Positioniergenauigkeit optimiert werden. Ziel der Virtualisierung durch einen digitalen Zwilling war es, neben der kundenspezifischen Anpassung, die Aufwände für die Inbetriebnahme zu reduzieren und so schneller und effizienter zu einem lauffähigen System zu kommen.

Um das Systemverhalten zu verstehen, wurde ein physikgetriebener digitaler Zwilling erstellt. Dank Mehrkörper-Simulation und integrierter Steuerung konnten die Bewegungsabläufe des Roboterarms, u. a. Drehwinkel und Drehgeschwindigkeit, und die Stellmomente der drei Antriebsmotoren ermittelt werden. Nachdem in einer Gesamtsystembetrachtung die Wechselwirkungen von Aktuatorik, Kinematik und Steuerung untersucht wurden, konnten verschiedene Regelstrategien aufgestellt werden.

Durch Strukturoptimierung konnte eine Gewichtsreduktion von 50 % für den unteren und 80 % für den oberen Arm des Roboters erzielt werden. Das führte wiederum zu einer Reduktion der erforderlichen Antriebsmomente der jeweiligen Elektromotoren von bis zu 28 % in den Spitzenlasten. Anschließend wurden die Regelungsparameter auf die geänderten Randbedingungen angepasst und optimiert. Dank der Simulation konnten die Optimierungen so innerhalb von wenigen Stunden umgesetzt werden, was im realen Versuch Tage in Anspruch genommen hätte.

Mehr Qualität in der Entwicklung und mehr Erkenntnisse im Betrieb

Das Beispiel des Roboter-Customizing-Projekts verdeutlicht, wie ein digitaler Zwilling bei einer optimalen Auslegung des Gesamtsystems hilft und Grundlage für die Entwicklung individualisierter Komponenten ist.  Der digitale Zwilling ermöglichte es, schneller und kosteneffizienter zu einem optimierten Gesamtsystem zu gelangen.

Mit Blick auf den realen Betrieb kann ein digitaler Zwilling ebenfalls Vorteile bringen. Als beobachtende Instanz kann er parallel zum realen Betrieb einen permanenten Abgleich mit dem realen System ermöglichen. So kann zum Beispiel ermittelt werden, was im Simulationsmodell zusätzlich berücksichtigt werden muss, um es verbessern zu können. Auch die Prognosegüte für mögliche Systemausfälle und erforderliche Wartungszyklen verbessert sich durch eine realistischere Gesamtbetrachtung.

Gerade mittelständische Maschinenbauunternehmen können mithilfe der Altair-CAE-Maschinenbaulösungen die Qualität ihrer Produkte und die Effizienz ihrer Entwicklungsprozesse erheblich verbessern. Technische Risiken, sei es in Entwicklung, Inbetriebnahme oder im Betrieb selbst, werden durch die Verknüpfung der Modelle und frühzeitiger Absicherung von Änderungen erheblich verringert. Darüber hinaus steigt die Kundenzufriedenheit dank optimierter Prozessführung sowie termintreuer Auslieferung und Inbetriebnahme.

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