Cyber-physische Zwillinge: Wie digitale Modelle Effizienz steigern
Justus Schuster
Tue Apr 22 2025
Inhaltsverzeichnis
Cyber-physische Zwillinge haben sich in den letzten Jahren zu einer Schlüsseltechnologie entwickelt. Sie ermöglichen es, physische Objekte und Prozesse digital abzubilden, zu simulieren und zu optimieren. Unternehmen nutzen diese Technologie, um Produktionsprozesse effizienter zu gestalten, Kosten zu senken und innovative Lösungen zu entwickeln.
Dieser Artikel erklärt die technologischen Grundlagen und zeigt anhand konkreter Beispiele, wie cyber-physische Zwillinge in unterschiedlichen Branchen eingesetzt werden.
Wie funktioniert ein cyber-physischer Zwilling?
Ein cyber-physischer Zwilling ist eine detaillierte digitale Nachbildung eines realen Systems. Er besteht aus mehreren Komponenten:
- Datenerfassung: Sensoren und IoT-Geräte sammeln kontinuierlich Daten über das physische Objekt. Dazu gehören Messwerte wie zum Beispiel Temperatur, Druck, Vibrationen oder Bewegung.
- Datenverarbeitung: Die erfassten Informationen werden mithilfe von Big Data-Technologien und Cloud-Plattformen gespeichert, analysiert und verarbeitet.
- Simulation und Modellierung: Algorithmen und physikalische Modelle ermöglichen es, das Verhalten des Systems in verschiedenen Szenarien zu simulieren.
- Optimierung und Steuerung: Das digitale Modell kann gezielt verändert und optimiert werden. Anpassungen lassen sich auf das reale Objekt übertragen, um Leistung und Effizienz zu verbessern.
Anwendungsbereiche und Praxisbeispiele
Cyber-physische Zwillinge sind in vielen Branchen im Einsatz. Hier sind einige der wichtigsten Anwendungsgebiete mit konkreten Beispielen:
1. Fertigungsindustrie
In der Produktion ermöglichen digitale Zwillinge die Optimierung von Produktionsabläufen und vorausschauende Wartung.
Beispiel: Siemens nutzt digitale Zwillinge in seinen „Smart Factories“, um Produktionsprozesse zu simulieren und Engpässe zu identifizieren. In der Halbleiterfertigung etwa werden komplexe Fertigungsschritte vorab digital getestet, bevor sie real umgesetzt werden. Dies reduziert Fehlerquoten und steigert die Effizienz.
2. Luft- und Raumfahrt
In der Luftfahrtindustrie sind digitale Zwillinge entscheidend für die Wartung und den sicheren Betrieb von Flugzeugen.
Beispiel: Airbus verwendet digitale Modelle für seine Flugzeugflotten, um Wartungszyklen zu optimieren. Die Sensoren in den Maschinen übermitteln Daten an das digitale Modell, das potenzielle Verschleisserscheinungen analysiert. So können Wartungsarbeiten genau dann durchgeführt werden, wenn sie nötig sind, anstatt nach festen Intervallen.
3. Automobilindustrie
In der Fahrzeugentwicklung helfen digitale Zwillinge, neue Modelle schneller und kosteneffizienter zu testen.
Beispiel: BMW nutzt digitale Zwillinge zur Simulation neuer Fertigungsprozesse. In Kooperation mit NVIDIA wird eine virtuelle Fabrik betrieben, in der neue Produktionsabläufe getestet werden, bevor sie in der realen Fertigung zum Einsatz kommen. Dies ermöglicht eine flexiblere und effizientere Produktion.
4. Gesundheitswesen
In der Medizin können digitale Zwillinge eingesetzt werden, um individuelle Patientenmodelle zu erstellen.
Beispiel: Siemens Healthineers entwickelt digitale Zwillinge für die personalisierte Medizin. Mithilfe von MRT- und CT-Daten entstehen digitale Abbilder von Organen, mit denen Ärzte verschiedene Behandlungsszenarien testen können, bevor eine Operation durchgeführt wird. Dies verbessert die Planbarkeit und senkt Risiken.
5. Infrastruktur und Smart Cities
Städte und Infrastrukturprojekte profitieren von digitalen Zwillingen zur besseren Planung und Steuerung.
Beispiel: Singapur hat eine vollständige digitale Kopie der Stadt erstellt. Dieses Modell wird genutzt, um den Verkehr zu optimieren, den Energieverbrauch zu analysieren und städtische Entwicklungen zu simulieren. Behörden können so gezielt Massnahmen ergreifen, um Umwelt- und Verkehrsprobleme zu lösen.
6. Energie- und Versorgungswirtschaft
Im Energiesektor helfen digitale Zwillinge, Kraftwerke und Netzinfrastrukturen effizienter zu betreiben.
Beispiel: General Electric hat ein digitales Modell für Windkraftanlagen entwickelt. Dieses System analysiert Wetterdaten und Betriebsparameter, um den Energieertrag der Turbinen zu maximieren. Zudem kann das digitale Modell frühzeitig erkennen, wann Komponenten ausgetauscht werden müssen, um ungeplante Stillstände zu vermeiden.
Zukunftsperspektiven und Herausforderungen
Digitale Zwillinge werden sich in den kommenden Jahren weiterentwickeln und durch Fortschritte in Künstlicher Intelligenz, 5G und Edge Computing noch leistungsfähiger werden. Besonders in der Kombination mit autonomen Systemen und selbstlernenden Algorithmen eröffnen sich neue Möglichkeiten, um Prozesse vollständig zu automatisieren.
Technologische Herausforderungen
- Hohe Implementierungskosten, da die Integration in bestehende Systeme komplex ist.
- Notwendigkeit einer leistungsfähigen Infrastruktur zur Verarbeitung grosser Datenmengen.
- Fehlende Standardisierung erschwert die unternehmensübergreifende Nutzung digitaler Zwillinge.
Dennoch zeigen die erfolgreichen Anwendungsfälle, dass sich die Investition in digitale Zwillinge lohnt. Unternehmen, die frühzeitig auf diese Technologie setzen, können nicht nur ihre Betriebskosten senken, sondern sich auch entscheidende Wettbewerbsvorteile sichern.
Fazit
Cyber-physische Zwillinge verändern die Art und Weise, wie Produkte entwickelt, gefertigt und genutzt werden. Sie ermöglichen präzisere Analysen, effizientere Prozesse und vorausschauende Wartung. Unternehmen wie Siemens, Airbus, BMW und General Electric haben die Technologie bereits erfolgreich integriert und profitieren von den Vorteilen.
Mit der Weiterentwicklung von Sensorik, KI und Cloud-Technologien wird der Einsatz digitaler Zwillinge in den nächsten Jahren weiter zunehmen. Wer früh investiert, kann nicht nur bestehende Prozesse optimieren, sondern auch völlig neue Geschäftsmodelle entwickeln.
