Vom CAD zum digitalen Zwilling: Datenmodelle für die VIBN

0:000:00

415046 1779277102182
Bild: Machineering GmbH & Co. KG, ©Prathankarnpap/stock.adobe.com; Google Gemini

Unternehmen müssen heutzutage ihre Engineering-Prozesse so anpassen, dass sie die zunehmende Komplexität moderner Maschinen und Anlagen sowie die steigenden Anforderungen erfüllen können. Die klassische Vorgehensweise, bei denen Mechanik, Elektrik und Automatisierung getrennt voneinander arbeiten, führten in der Vergangenheit immer wieder zu Medienbrüchen, redundanter Datenhaltung und unzureichenden Informationsständen. Daher hat sich in den letzten Jahren die virtuelle Inbetriebnahme zunehmend etabliert, um Risiken zu reduzieren, Fehler frühzeitig zu erkennen und Entwicklungszeiten zu verkürzen. Das Potenzial darin ist deutlich höher, wenn ein durchgängiges Datenmodell vom ersten CAD-Entwurf bis hin zum digitalen Zwilling vorhanden ist.

Vom CAD-Modell zur simulationsfähigen Struktur

Das CAD-Modell stellt die Basis der digitalen Maschinenbeschreibung dar. Darin sind geometrische Informationen, Baugruppenstrukturen sowie grundlegende physikalische Eigenschaften enthalten. Für die virtuelle Inbetriebnahme ist diese Informationsbasis jedoch nicht ausreichend. Dafür muss das vorhandene Modell gezielt durch funktionale und logische Zusammenhänge ergänzt werden. Erst so entsteht ein Modell, das für die Simulation und die Abbildung des Maschinenverhaltens relevant ist. Dazu gehören kinematische Beziehungen, Bewegungsachsen, Freiheitsgrade sowie die Integration von Sensorik und Aktorik.

CAD-Daten in die Modelle bringen

Im industriellen Umfeld zeigt sich aber, dass CAD-Daten einerseits zu detailliert und gleichzeitig nicht ausreichend strukturiert für eine Simulation sind. Daher macht eine direkte Übernahme in vorhandene Simulationsumgebungen meist wenig Sinn. Es sollten Geometrien vereinfacht, Kollisionsmodelle erzeugt und Bewegungsdefinitionen ergänzt werden. Dieser Schritt ist entscheidend für die spätere Performance und Aussagekraft der Simulation. Simulationsplattformen wie iPhysics von Machineering setzen hier an, indem sie CAD-nahe Strukturen in echtzeitfähige Modelle überführen. Änderungen im CAD ziehen erfahrungsgemäß Nacharbeiten in der Simulation nach sich, was nicht nur Zeit kostet, sondern auch Fehlerpotenziale erhöht. Ein durchgängiges Datenmodell kann dafür sorgen, dass eine strukturierte Übermittlung der Daten innerhalb des Systems erfolgt, ohne dass Informationen verloren gehen oder mehrfach überarbeitet werden müssen.

Für Anlagen mit mehreren Achsen, Greifsystemen und Fördertechnik sind Anwendungen zur virtuellen Inbetriebnahme wie geschaffen.
Für Anlagen mit mehreren Achsen, Greifsystemen und Fördertechnik sind Anwendungen zur virtuellen Inbetriebnahme wie geschaffen.

Durchgängige Datenmodelle als Integrationsbasis

In einem durchgängigen Datenmodell wird die Maschine nicht nur geometrisch, sondern über alle Disziplinen hinweg beschrieben. Neben der Mechanik werden auch elektrische und steuerungstechnische Informationen abgebildet. Zudem lassen sich Komponenten identifizieren, ihre Beziehungen zueinander definieren und Signale können systemübergreifend zugeordnet werden. Die technische Umsetzung erfolgt dabei häufig durch standardisierte Datenstrukturen, eindeutige Objektmodelle und Integrationsplattformen. Entscheidend ist die Qualität der vorhandenen Datenstruktur. Wenn ein Bauteil über alle Systeme hinweg eindeutig nachvollziehbar ist, können Änderungen effizient nachverfolgt und umgesetzt werden.

Das Rad nicht neu erfinden

Bewährte Maschinenmodule können dabei in neuen Projekten erneut verwendet werden. Viele Informationen können übernommen werden, ohne dass diese bei jedem Projekt neu aufgebaut werden müssen. Gerade bei der virtuellen Inbetriebnahme zeigt dieses Konzept Wirkung, da die Steuerungssoftware direkt gegen ein Simulationsmodell getestet wird, das auf den selben Daten basiert wie das restliche Engineering. Signale, Zustände und Bewegungen sind miteinander verknüpft, wodurch ein realitätsnahes Anlagenverhalten abgebildet werden kann.

Umsetzung und digitale Zwillinge

Der digitale Zwilling ist damit die logische Weiterentwicklung eines durchgängigen Datenmodells, da er die reale Maschine nicht nur geometrisch, sondern auch funktional und dynamisch abbildet. In der virtuellen Inbetriebnahme werden anhand des virtuellen Pendants Steuerungsprogramme getestet, Abläufe optimiert und kritische Szenarien nachgestellt. Ein typisches Beispiel aus der Praxis ist eine Anlage mit mehreren Achsen, Greifsystemen und Fördertechnik. In der klassischen Vorgehensweise werden CAD-Daten exportiert, in der Simulation neu aufgebaut und anschließend mit Steuerungssignalen verknüpft. Jede Änderung in der Mechanik führt dabei zu manuellen Anpassungen in der Simulation und Steuerung. Mit einem durchgängigen Datenmodell hingegen bleibt die Struktur unangetastet. Die vorhandene Kinematik, Signale und Komponenten können weiterverwendet werden.

Wenn Fehler im Roboterlaufweg zu Kollisionen führen, dann lieber in der Simulation als in echt.
Wenn Fehler im Roboterlaufweg zu Kollisionen führen, dann lieber in der Simulation als in echt.

Spezialsysteme verfügbar

Spezialisierte Simulationsanwendungen wie iPhysics kommen dabei zum Einsatz, da diese eine physikalisch konsistente Abbildung der Anlage in Echtzeit ermöglichen. Dabei können mechanische Modelle, Bewegungslogik und Steuerungssignale auf Basis eines gemeinsamen Datenmodells zusammengeführt werden. Entscheidend ist dabei die Fähigkeit, vorhandene Engineering-Daten ohne Medienbrüche nutzbar zu machen und in ein echtzeitfähiges Simulationsmodell zu überführen. Die Steuerung wird dabei früh am virtuellen Modell angebunden und gegen den digitalen Zwilling getestet. Dadurch lassen sich Fehler bereits vor der physischen Inbetriebnahme erkennen und vermeiden. Dies kann zu einer deutlich verkürzten Inbetriebnahmezeit sowie zu einer höheren Anlagenverfügbarkeit führen.

Strukturierte Implementierung notwendig

Die Einführung durchgängiger Datenmodelle erfordert jedoch mehr als nur den Einsatz geeigneter Software. Wichtig sind Modellierungsrichtlinien, Datenstandards und Zusammenarbeit zwischen Disziplinen. Integrierte Prozesse stellen sicher, dass Daten konsistent erzeugt, gepflegt und genutzt werden. Der Weg vom CAD zum digitalen Zwilling ist ein strategischer Transformationsprozess. Unternehmen, die diesen Ansatz konsequent verfolgen, schaffen die Grundlage für eine effiziente virtuelle Inbetriebnahme und eine durchgängig digitale Wertschöpfungskette. Langfristig winken dafür kürzere Entwicklungszeiten, höhere Qualität und einer gesteigerte Flexibilität im Engineering und Betrieb ihrer Anlagen.



  • Eine Matte gegen Haltungsschäden

    Eine Matte gegen Haltungsschäden

    Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA haben in Zusammenarbeit mit der Isoloc Schwingungstechnik GmbH eine Sensormatte für Steharbeitsplätze entwickelt. Sie erfasst die Fußposition eines Mitarbeiters und erkennt Gewichtsverlagerungen.

    mehr lesen: Eine Matte gegen Haltungsschäden

  • Verschlüsselungskomponenten, die Angreifern ausweichen

    Verschlüsselungskomponenten, die Angreifern ausweichen

    Verschlüsselungssoftware spielt auf dem Weg zu mehr Datenschutz eine wichtige Rolle, doch können Computersysteme auch auf physikalischem Wege angegriffen werden. Durch das Abfangen von Stromschwankungen oder das Auslösen von Fehlern…

    mehr lesen: Verschlüsselungskomponenten, die Angreifern ausweichen

  • Unternehmen sehen Notwendigkeit für mehr IoT-Sicherheit

    Unternehmen sehen Notwendigkeit für mehr IoT-Sicherheit

    Das Internet der Dinge ist für viele Unternehmen in Deutschland sowohl eine Chance als auch ein Risiko, so das Ergebnis einer aktuellen Studie im Auftrag von Palo Alto Networks.

    mehr lesen: Unternehmen sehen Notwendigkeit für mehr IoT-Sicherheit

  • Gaia-X-Mitglieder unterzeichnen Gründungsurkunde

    Gaia-X-Mitglieder unterzeichnen Gründungsurkunde

    Die Gründungsmitglieder der Gaia-X-Initiative haben die Gründungsurkunden zur Gaia-X AISBL unterzeichnet. Interessierte Unternehmen und Initiativen sind aufgerufen, sich an der gemeinnützigen Vereinigung zu beteiligen.

    mehr lesen: Gaia-X-Mitglieder unterzeichnen Gründungsurkunde

  • TÜV-Verband fordert Regulierung von KI-Anwendungen

    TÜV-Verband fordert Regulierung von KI-Anwendungen

    Der TÜV-Verband fordert in einem Positionspapier KI-gestützte Anwendungen und Systeme — etwa automatisierte Fahrzeuge oder Roboter — in Abhängigkeit vom Risiko zu regulieren.

    mehr lesen: TÜV-Verband fordert Regulierung von KI-Anwendungen

  • Was es bei der Container-Nutzung zu beachten gilt

    Was es bei der Container-Nutzung zu beachten gilt

    Die Nutzung von Containertechnologien steigt, was aber gilt es bei der Auswahl zu beachten? Der Software-Entwickler Red Hat gibt Antworten darauf.

    mehr lesen: Was es bei der Container-Nutzung zu beachten gilt

  • Kulturelle Werte ebenso wichtig wie die technologische Innovation

    Kulturelle Werte ebenso wichtig wie die technologische Innovation

    Wenn Unternehmen Digitalisierungsprojekte angehen, tun sie dies oft mit einem externen Partner. Die Frage ist nur mit welchem? IFS hat in einer Studie ermittelt, welche Faktoren bei der Auswahl eine…

    mehr lesen: Kulturelle Werte ebenso wichtig wie die technologische Innovation

  • Software-as-a-Service für die Fertigung

    Software-as-a-Service für die Fertigung

    Die Komplexität des Maschinenparks erschwert es oft, geeignete Parameter für den optimalen Betrieb zu definieren. Hier kommt das Startup FactoryPal ins Spiel, das mit seiner KI-basierten Lösung Abhilfe schaffen will.

    mehr lesen: Software-as-a-Service für die Fertigung

  • Karl Tucholski ist Head of Business Development bei Prime Computer

    Karl Tucholski ist Head of Business Development bei Prime Computer

    Karl Tucholski ist neuer Head of Business Development bei Prime Computer für Deutschland und Österreich.

    mehr lesen: Karl Tucholski ist Head of Business Development bei Prime Computer

  • Nachhaltige Industrie durch neue Technologien

    Nachhaltige Industrie durch neue Technologien

    Bitkom-Studie Nachhaltige Industrie durch neue Technologien Deutsche Unternehmen gehen davon aus, dass Industrie 4.0-Technologien zu einer Reduktion des CO2-Ausstoßes beitragen können. Viele Unternehmen haben sich bereits eine Selbstverpflichtung zu Senkung…

    mehr lesen: Nachhaltige Industrie durch neue Technologien

  • Nach dem Lockdown setzt Erholung ein

    Nach dem Lockdown setzt Erholung ein

    Die Deutsche Wirtschaft erholt sich langsam. Bis das Vorkrisenniveau erreicht wird, könnte es laut Bundeswirtschaftsministerium noch bis 2022 dauern.

    mehr lesen: Nach dem Lockdown setzt Erholung ein

  • Maschinenbau rechnet 2020 mit Produktionsrückgang von 17 Prozent

    Maschinenbau rechnet 2020 mit Produktionsrückgang von 17 Prozent

    Der Maschinen- und Anlagenbau kämpft gegen die Folgen der globalen Corona-Pandemie, aber auch gegen einen nach wie vor belastenden Protektionismus im internationalen Handel. Hinzu kommt ein industrieller Wandel, der sich…

    mehr lesen: Maschinenbau rechnet 2020 mit Produktionsrückgang von 17 Prozent