«Entscheidungen quantitativ abstützen»

Welche Rolle spielen Simulationen heute für Produktion und Automatisierung?

Simulationen sind aus der Automatisierung und Produktion nicht mehr wegzudenken. Die meisten branchenführenden Unternehmen entwickeln mittlerweile virtuell und mittels Simulation. Sie sind daher unverzichtbar im modernen Produktentstehungsprozess. Sie sind aber nicht nur Teil der Entwicklung, sondern inzwischen auch Teil der laufenden Produktion, um zum Beispiel Vorhersagen über den Anlagenzustand zu machen oder die Anlage optimal zu betreiben.

Welche Aufgaben können Simulationen besonders gut erfüllen?

Durch Simulationen können Automatisierungseinrichtungen, Anlagen oder Produkte schneller, reproduzierbarer, systematischer und präziser gestaltet werden. Lassen Sie mich das anhand von einem Beispiel erläutern. Ein neues automatisierungstechnisches Produkt muss vor dem Einsatz getestet werden. Wird dies nun virtuell anstatt anhand eines real vorliegenden Prototypen gemacht, spart man effektiv Zeit und Geld. Vielfach entfällt der Bau von Prototypen. Ausserdem lassen sich sehr früh Risiken aus der Entwicklung nehmen: Durch eine gezielte Szenarienanalyse untersucht man bereits in der Designphase Varianten. Konzeptentscheidungen stehen dann durchweg auf besseren Füssen, da sie quantitativ durch Simulationen abgestützt sind.

Inwiefern bringen digitale Zwillinge den Praxisnutzen von Simulationen auf eine neue Ebene?

Es ist ja nicht so, dass der digitale Zwilling etwas gänzlich Neues ist. Modelle zur Beschreibung von Teilsystemen werden ja schon heute eingesetzt, beispielsweise auch zur Simulation.

Simulationslösungen existieren aber bisher über die Einzeldisziplinen verstreut: Sowohl die Methoden als auch die eingesetzten Werkzeuge sind heterogen, interagieren nicht und sind teilweise eben auch lückenhaft. Eine systemübergreifende Perspektive liegt selten vor. Ich verbinde mit digitalen Zwillingen daher die Chance, diese fehlende Vernetzung aufzulösen. Es wird durch sie möglich sein, gesamtsystemische Fragen zu beantworten. Beispielsweise wird es noch besser gelingen, konsistente Vorhersagen über einen Produktionsprozess – zum Beispiel über seine Funktion, seine Konstruktion und auch seine Leistungsdaten – abzuleiten.

Durch die immer stärker werdende Vernetzung von Produkten über das Internet oder durch die zunehmende sensorische Ausstattung von Anlagen verschmelzen ehemals getrennt entwickelbare Systeme zu einem riesigen Gesamtsystem. Ohne einen digitalen Zwilling wird die Entwicklung dieser Industrie-4.0-Systeme nur unter grösstem Kosten- und Zeitaufwand möglich sein oder wird aufgrund der Komplexität schlicht unmöglich.

Welche grösseren Herausforderungen bestehen noch beim Einsatz von Simulationen?

Die Herausforderungen kann man in drei Gruppen aufteilen: Organisation, Modellierung, Komplexität.

Simulationen einzusetzen heisst einen virtuellen Prototyp oder digitalen Zwilling während der Entwicklung konsequent mitzuführen. Das bedeutet, dass das digitale Abbild entwickelt und konsistent gehalten werden muss. Dies erfordert einen Ressourcen- und auch Zeiteinsatz. Das heisst, klassische Entwicklungspfade funktionieren nicht mehr wie gewohnt. Das bedarf ein Umdenken in der Entwicklungsmannschaft.

Zudem lässt sich nicht jede technische Anlage gleichermassen leicht, kostengünstig oder überhaupt als simulierbares Modell darstellen. Betrachtet man zum Beispiel Reaktorkaskaden zur Herstellung von synthetischem regenerativ erzeugtem Methan, so sind die chemischen und verfahrenstechnischen Vorgänge hoch komplex und daher nicht leicht mathematisch für einen digitalen Zwilling zu formulieren.

Drittens sind bestimmt Simulationsprobleme so aufwändig, dass sie regelmässig das Machbare von Computersimulatoren ausloten. Hierzu gehört etwa die feingranulare Simulation des europäischen Stromnetzes bis in jeden Strassenzug oder Simulationen von neuen Materialien auf Atomebene.

Ein Blick voraus: Welche Simulationslösungen werden in 20 Jahren Produktionsprozesse unterstützen?

Ich gehe davon aus, dass es ein vollständiges und konsistentes digitales Abbild von Produktionsprozessen geben wird. Dabei erhoffe ich mir, dass es möglich sein wird, in unterschiedlichen Abstraktionsgraden auf die Simulation zu schauen. Nicht immer ist es ja von Vorteil jedes Detail zu berechnen. Insgesamt wird es dadurch möglich sein, eine erhöhte Prognosequalität bei der Entwicklung hoch komplexer und stark vernetzter Anlagen qualitativ und quantitativ zu liefern. Zudem erwarte ich, dass Simulationen nicht nur die Entwicklung begleiten, sondern den gesamten Lebenszyklus eines Produktes unterstützen und so langfristig ganzheitliche Aussagen möglich machen. Dies ist für eine nachhaltige Wirtschaft unabdingbar.