Digitaler Zwilling

Hochdetaillierte digitale Modelle stellen sowohl das Produkt als auch den optimierten Produktionsprozess dar und überwachen Bauteil und Fertigungsprozess in Echtzeit.
Digitaler Zwilling von Bauteilen
Vollphysikalischer Digitaler Zwilling
Integrated Positioning System

Digitaler Zwilling – ein dynamisches Abbild und nicht nur eine digitale Kopie

Die Idee dahinter

Das digitale Abbild eines realen Bauteils unterstützt Bewertungsprozesse und eröffnet erhebliche Verbesserungspotenziale im Prozess der Bauteilentstehung. Sensoren erfassen fertigungsbedingte Abweichungen. Basierend darauf berechnen schnelle Simulationsmodelle die realen Bauteileigenschaften. Der digitale Zwilling visualisiert und bewertet diese zusätzlichen Informationen.

Dadurch sparen wir Zeit und Kosten, da eine nachgelagerte Strukturbewertung entfällt. Man kann sagen, das Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik (FA) arbeitet an der (R)Evolution in der Verbundwerkstoff-Bauteilfertigung. Wir entwickeln Methoden und Konzepte, die den digitalen Zwilling befähigen, zu verstehen, zu bewerten und zu agieren.

Fertigungsbedingte Imperfektionen bei der Faserablage oder Eigenspannungen und Verzug infolge des Aushärtens beeinflussen das strukturmechanische Verhalten von faserverstärkten Kunststoffen. Bereits während der Fertigung werden die zu erwartenden Bauteileigenschaften berechnet und durch den digitalen Zwilling bereitgestellt. Dadurch erweitern wir die bisher nur lokal verfügbaren Daten zur Prozess- und Bauteilbewertung zu 4D-Feldinformationen (3D, Zeit). Für die fertigungsbegleitende Strukturbewertung muss dieser simulationsbasierte Prozess echtzeitfähig sein.

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Der Aufbau des Systems

Die Echtzeitanforderung an den digitalen Zwilling erfüllen wir mit effizienten Ersatzmodellen. Sie vereinen die Fähigkeiten detaillierter Simulationsmodelle und die Schnelligkeit analytischer Ansätze. Das Training der Ersatzmodelle (Feature Learning) basiert auf den detaillierten Simulationsmodellen.

Es erfolgt anhand eines strukturierten Versuchsplans (engl. DoE – Design of Experiments). Im Herstellungsprozess erfassen wir durch lokale Messungen (inline Qualitätssicherung – iQS) den Ist-Zustand und berechnen die Eigenschaften für das gesamte Bauteil in Echtzeit. Hierzu liefern Ersatzmodelle flächige Informationen, die ein neuartiges erweitertes Qualitätsmanagement ermöglichen. Das neuartige Qualitätsmanagement macht Prozesskorrekturen möglich und nachgelagerte Bewertungsprozesse unnötig. Über den digitalen Zwilling visualisieren wir nicht messbare Informationen wie Eigenspannungen oder mechanische Kennwerte (Augmented Reality).
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Anwendungen

Die Qualitätssicherung für große Strukturen in der Luft- und Raumfahrt ist heutzutage mit enormem Zeit- und Kostenaufwand verbunden. Dieser meist manuelle Inspektionsschritt ist zudem sehr fehleranfällig und stark abhängig von der Erfahrung und Verfassung des Prüfers. Diese Nachteile werden durch einen automatisierten und inline arbeitenden Prozess zur Qualitätssicherung (QS) eliminiert. Eine strukturmechanisch begründete Reaktion des Systems auf fehlerhafte Ablegebereiche ist somit direkt im Faserlegeprozess möglich.

Faserablage einer Flugzeugstruktur: Spalten und Überlappungen werden erfasst, mit Soll-Daten verglichen und anhand der späteren Betriebslasten bewertet

Digitaler Zwilling eines Flugzeugspants: Ist-Bauteileigenschaften werden im Herstellungsprozess gemessen, berechnet, visualisiert und bewertet

Ansprechpartner:

Dr.-Ing. Falk Heinecke

Integrated Positioning System

Die Idee dahinter

In der Industrie 4.0 modernisieren mobile Roboter maßgeblich Produktionsabläufe. Sie gestatten nicht nur einen hohen Autonomiegrad bei höherer Effizienz in routinierten Aufgaben, wie dem Transport von Bauteilen in Lagerhallen und dem Verbauen in Fertigungsstätten, sondern gewährleisten auch die notwendige Flexibilität, um Prozesse umzugestalten. Optische Technologien  …

… werden dabei eine Schlüsselrolle spielen. Beispielsweise ist die Fähigkeit selbstständig zu navigieren eine Kernvoraussetzung für den Einsatz dieser modernen Maschinen. Die hohen Anforderungen an Präzision und Zuverlässigkeit in hochdynamischen Anlagen können nicht durch konventionelle Navigationslösungen erfüllt werden. Auch Abläufe ohne Navigation benötigen permanente intelligente Überwachung, um Prozesse zu optimieren und Fehler zu vermeiden – insbesondere, da der Mensch die Maschinen nicht mehr aktiv steuert.
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Der Aufbau des Systems

Das IPS ist speziell für die räumlich-zeitliche Echtzeit-Eigenverortung und 3D-Kartierung in Indoor- und Outdoor-Umgebungen geschaffen. Im Vordergrund stehen dabei Flexibilität und Autonomie: Für diese Aufgaben werden weder a-priori Wissen über die Umgebung (z.B. Karten), noch externe Referenzierungssysteme (z.B. GNSS) benötigt.

Das Herzstück bildet die Kombination einer Stereokamera mit einer inertialen Messeinheit – mit ihr wird der menschliche Orientierungssinn sensorisch nachempfunden. Die sich ideal gegenseitig ergänzenden physikalischen Eigenschaften der Sensoren führen durch Verarbeitung in einem erweiterten Kalman-Filter zu störungsrobusten Informationen. Das modulare Multisensorkonzept erlaubt darüber hinaus die Integration weiterer Ortungs- oder Prüfsensorik, wie zum Beispiel einem Thermal-Sensor, um die Umgebung in weiteren Spektralbereichen auszuwerten.
Zur Validierung bestehender Algorithmen und der Entwicklung neuer Ansätze kann das IPS vollständig in der dazugehörigen Simulation synthetisiert werden (Digital Twin). Industrielle Prozesse lassen sich so realitätsnah bewerten und damit verbundene hohe technische, logistische oder ökonomische Aufwendungen vermeiden.
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Anwendungen

Die besondere Datenerfassung des IPS‘ erlaubt komplexe optische Analysen industrieller Prozesse. Zum einen können Maschinen auf diese Weise auf Abweichungen vom Normverhalten überwacht, durch Verortung identifiziert und so Unfälle frühzeitig verhindert werden. Neben dieser stetigen Kontrolle wird das IPS derzeit auch für visuelle Inspektions- und Wartungsaufgaben von industriellen Anlagen eingesetzt. Zum anderen findet die Echtzeit-3D-Kartierung als präzise und unabhängige Informationsquelle Anwendung bei der Navigation von autonomen Einheiten.

Auf Fahrzeug montiertes IPS

Handgetragenes IPS mit Thermal-Sensor

Ansprechpartner:

Maik Wischow
Dr.-Ing. Anko Börner

Vollphysikalischer digitaler Zwilling

Die Idee dahinter

Das Konzept des Digitalen Zwillings vereint sämtliche produktrelevanten Informationen, wie zum Beispiel Entwicklungsmodelle, Konstruktionsdaten, Fertigungspläne, Wartungsinformationen und Nutzungsdaten aus dem Betrieb.

Der vollphysikalische „Digitale Zwilling“  bezieht darüber hinaus dynamische Verhaltensmodelle, wie zum Beispiel Energieflüsse, mechanische Bewegungsabläufe und Wärmeerzeugung mit ein, in denen das Produkt seine technische Funktion erfüllt. So werden Informationen wie Spezifikation, Produktions- und Nutzungshistorie, Datenströme etc. mit einem funktionalen virtuellen Abbild vervollständigt. Dieser Ansatz ermöglicht den Entwurf, das Engineering und die Optimierung des Produktes über den kompletten Lebenszyklus hinweg: Von der Entwicklung über die Inbetriebnahme und den operativen Einsatz bis zur Modifikation und Recycling / Upcycling. Dies ermöglicht verbesserte Performanz, Sicherheit, Ressourceneffizienz, Kosten, individuelle und schnelle Adaption an sich verändernde Aufgabenstellungen der Märkte sowie Leistungseffizienz.
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Der Aufbau des Systems

Um diese Vielfalt zu beherrschen, ist es das wissenschaftliche Ziel des Projektes Factory of the Future (FOF), Technologien zu entwickeln, um vollphysikalische Digitale Zwillinge von Produkten und Produktfamilien durch Modell- und Methoden-Baukästen so strukturiert zur Verfügung zu stellen, dass diese in einem industriellen Betrieb von allen relevanten Abteilungen zügig eingeführt und verwendet werden können.

Diese, auf offenen Standards aufbauenden, Baukästen erlauben es, spezifische Prozesse zu synthetisieren, in dem Einzel-Modelle/-Methoden kombiniert und zusammengestellt werden. Dies hilft, die Komplexität und Risiken aus dem Prozess der Digitalisierung herauszunehmen, das Management in den Unternehmen leichter für die Einführung zu gewinnen und das Tempo der Digitalisierung im Bereich Engineering zu steigern. Zudem gewährleistet die Modularität eine projektübergreifende Wiederverwendbarkeit von Digitalen Zwillingen.
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Anwendungen

Der vollphysikalische Digitale Zwilling ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungen. So kann beispielsweise durch die Verkoppelung von virtueller Hardware mit den realen Steuergeräten die Software- und Hardwareentwicklung parallelisiert werden. Der Einsatz von Digitalen Prototypen bei der virtuellen Inbetriebnahme reduziert die Wahrscheinlichkeit von unvorhergesehenen Ereignissen bei der Inbetriebnahme beim Kunden.

Durch die Generierung virtueller Sensordaten können Fehlerfälle und komplexe Betriebsabläufe frühzeitig untersucht werden, noch bevor die Hardwareentwicklung fixiert ist und nur noch kostspielig abgeändert werden kann. Durch die verfügbare Datenbasis des Digitalen Zwillings können kombiniert mit modellbasierten Ansätzen Produktparameter, Betriebsstrategien oder Konstruktionen mathematisch optimiert werden, um mit minimalem Aufwand einen bestmöglichen Produkteinsatz zu ermöglichen. Das DLR Systems and Control Innovation Lab (SCIL, www.sr-scil.de) gibt Firmen die Möglichkeit in gemeinsamen Innovationsprojekten den Digitalen Zwilling individuell nutzbar zu machen.
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Virtuelle Inbetriebnahme eines Montageprozesses mit simulierter Roboterdynamik, komplexen Manipulationen und realistischer Bahnplanung

Ansprechpartner:

Tobias Bellmann