Digitale Zwillinge im 3D-Druck: Herausforderungen, Anwendungen und Möglichkeiten
Haben Sie schon von digitalen Zwillingen gehört? Die Idee wurde erstmals in den 1960er Jahren entwickelt, um ein Modell der Apollo-Mission zu erstellen und so deren Scheitern durch ein physisches Modell mit digitalen Komponenten einzuschätzen. Seitdem hat sich das Konzept selbstverständlich weiterentwickelt, aber der Kern ist derselbe geblieben. Im Wesentlichen ist ein digitaler Zwilling ein virtuelles Modell, das speziell dafür entwickelt wurde, ein physisches Objekt genau wiederzugeben. IBM definiert den digitalen Zwilling so: „Ein digitaler Zwilling ist die virtuelle Abbildung eines Objekts oder eines Systems. Diese Abbildung umfasst seinen gesamten Lebenszyklus, wird aus Echtzeitdaten aktualisiert und setzt Simulation, maschinelles Lernen und Schlussfolgerungen als Unterstützung zur Entscheidungsfindung ein.“ Obwohl er oft mit der reinen Modellierung verwechselt wird, geht der digitale Zwilling darüber hinaus. Die Verwendung von Algorithmen und mathematischen Verfahren bei digitalen Zwillingen ist ein wichtiger Bestandteil, der es den Nutzern ermöglicht, das Verhalten von Teilen vorherzusagen, die beispielsweise im 3D-Druckverfahren hergestellt wurden.
Digital twins haben ihren Platz in einer Vielzahl von Anwendungen gefunden, von der Industrie über die Medizin bis hin zur Innenarchitektur. Außerdem werden sie zunehmend in der additiven Fertigung eingesetzt. Das ist vielleicht nicht überraschend, wenn man bedenkt, dass der Markt für digitale Zwillinge laut Markets and Markets im Jahr 2022 bereits einen Wert von 6,9 Mrd. US-Dollar hatte und bis 2027 auf etwa 73,5 Mrd US-Dollar ansteigen wird. Aber warum genau sollten Sie digitale Zwillinge im 3D-Druck verwenden? Was müssen Sie wissen? Wir haben einen genaueren Blick darauf geworfen.
Digitale Zwillinge werden immer mehr in der Industrie 4.0 eingesetzt. (Bild: GE)
Digitale Zwillinge im 3D-Druck einsetzen
Digitalen Zwillingen und der additiven Fertigung wird eine Schlüsselrolle in der Industrie 4.0 zugeschrieben. Doch erst in den letzten Jahren hat man begonnen, beide miteinander zu kombinieren. Dennoch ist es wichtig festzuhalten, dass der 3D-Druck im Allgemeinen gut für die Verwendung von digitalen Zwillingen geeignet ist. Dies haben verschiedene Studien belegt. Grund dafür ist, dass die additive Fertigung von Natur aus digital ausgerichtet ist. Von der Online-Konstruktion über Software zum Schneiden bis hin zu Programmen, die den gesamten Druckprozess überwachen, haben Automatisierung und künstliche Intelligenz deshalb bereits Einzug in die additive Fertigung gehalten. Digitale Zwillinge im 3D-Druck sind folglich der nächste logische Schritt in der Entwicklung der additiven Fertigungsbranche.
Aber wie kann man sie nun nutzen? Betrachten wir zunächst den Prozess der Integration von digitalen Zwillingen in den 3D-Druck. Wie bereits erwähnt, ist ein digitaler Zwilling zunächst ein 3D-Modell. Dieses kann mit CAD– oder generativer Design-Software erstellt werden. Darüber hinaus wird zunehmend auch der 3D-Scan eingesetzt, der ein perfektes Modell des betreffenden Teils erstellt. Über den ersten Entwurf hinaus gibt es auf dem Markt bereits eine Reihe von Softwareprogrammen, die speziell für die Arbeit mit digitalen Zwillingen, auch für den 3D-Druck, entwickelt wurden. So zum Beispiel die Programme von Siemens, Simio oder Netfabb. Dies erleichtert die Integration und fördert somit die allgemeine Nutzung in der additiven Fertigung. In weiterer Folge ist es vorstellbar, dass digitale Zwillinge für Anwendungen wie das Reverse-Engineering von Ersatzteilen eingesetzt werden, da sie in der Lage sind, Produkte in ihren Eigenheiten getreu nachzubilden.
Schließlich gibt es verschiedene Formen digitaler Zwillinge, die ebenfalls berücksichtigt werden müssen. Digitale Zwillinge im 3D-Druck lassen sich in vier Kategorien unterteilt: digitale Zwillinge für Prozesse, für Geräte, für Anlagen und für Produkte. Wie der Name schon sagt, zielen sie auf unterschiedliche Bereiche im Fertigungsprozess ab. Digitale Prozess-Zwillinge können verwendet werden, um eine digitale Version des 3D-Druckprozesses für Entwurf, Produktion und Wartung zu replizieren. In ähnlicher Weise können digitale Zwillinge von Geräten Drucker nachbilden und so wichtige Informationen für die Wartung liefern. Digitale Zwillinge von Anlagen sind eine Mischung aus den ersten beiden, jedoch in einem größeren Maßstab, der die gesamte Fabrikhalle einbezieht. Zu guter Letzt – und darauf werden wir in diesem Leitfaden vor allem eingehen – ermöglichen digitale Zwillinge von Produkten und Teilen, diese zu optimieren, zu testen, zu entwerfen und zu analysieren, um ihre Leistung einzuschätzen.
Eine Darstellung, wie digitale Zwillinge im 3D-Druck funktionieren. (Bild: Zhang, Li, Xiaoqi Chen, Wei Zhou, Taobo Cheng, Lijia Chen, Zhen Guo, Bing Han and Longxing Lu)
Vorteile von digitalen Zwillingen im 3D-Druck
Die Kombination von digitalen Zwillingen mit dem 3D-Druck bietet eine ganze Reihe von Vorteilen. Vor allem, wenn es um die Qualitätskontrolle von Teilen geht. Obwohl sich AM seit seinen Ursprüngen als Rapid Prototyping stark verändert hat und immer mehr Teile für den Endverbrauch auf den Markt kommen, bleibt die Qualitätskontrolle eine Herausforderung. Denn aufgrund ihrer Natur erfordert die additive Fertigung oft umfangreiche Tests, um die richtigen Parameter zur Vermeidung von Druckfehlern sicherzustellen. Dies steht jedoch in direktem Gegensatz zu zwei der größten Vorteile von AM, nämlich Kosten- und Materialeinsparung.
Dank des Einsatzes digitaler Zwillinge kann dies behoben werden. Digitale Zwillinge ermöglichen es den Nutzern, aufgrund des kontinuierlichen Datenstroms, der durch die Rückmeldung entsteht, Parameter direkt zu bewerten. Dies wiederum macht eine Optimierung der genannten Parameter möglich, ohne dass physische Tests erforderlich sind. Darüber hinaus kann der Nutzer mit digitalen Zwillingen den gesamten 3D-Druckprozess in Echtzeit überwachen, was zu einer noch größeren Genauigkeit der endgültigen Drucke führt. Dies macht die Qualitätskontrolle für AM zuverlässiger. Das ist besonders wichtig, wenn es um industriellere Prozesse geht, einschließlich der Metall-AM durch Methoden wie das Laser-Pulverbett-Verfahren, da es auch die Konsistenz erhöhen könnte.
Festzuhalten gilt, dass digitale Zwillinge, wie bereits erwähnt, nicht nur für einzelne Teile verwendet werden. Vielmehr können sie für eine ganze Fabrikhalle erstellt werden. Dies würde die Industrialisierung insbesondere für die additive Fertigung erleichtern, da 3D-Drucker-Großanlagen nicht nur auf individueller Ebene, sondern in der gesamten Fabrikhalle für eine effektivere Produktion optimiert werden könnten.
Trotzdem gibt es beim Einsatz von digitalen Zwillingen im 3D-Druck noch einige herausfordernde Parameter. Die eigentliche Definition und Entwicklung eines digitalen Zwillings ist immer noch recht schwierig, nicht zuletzt, weil, wie viele Wissenschaftler festgestellt haben, das Wesen dieser digital twins selbst oft nicht gut verstanden wird. Doch je mehr digitale Zwillinge im Zusammenhang mit 3D-Druck verwendet werden, desto schneller wird dieses Hindernis überwunden. Erste Anzeichen für diese Entwicklung sind bereits festzustellen, insbesondere durch den verstärkten Einsatz von KI und ausgefeilten Tools für maschinelles Lernen. Es wird sicherlich interessant sein, zu sehen, wie digitale Zwillinge und 3D-Druck in Zukunft zusammen verwendet werden und die Branche verändern.
Es ist davon auszugehen, dass wir einen verstärkten Einsatz von digitalen Zwillingen im 3D-Druck sehen werden, insbesondere bei Teilen wie Turbinen.(Bild: Konica Minolta)
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*Titelbildnachweis: Norlà Corporation
