artikel

Elke fabriek een Digital Twin

Engineering

De digitalisering van de industrie onder de noemer smart industry is in volle gang. De laatste tijd staat de ultieme versie daarvan in de belangstelling. Een fysieke fabriek en zijn ‘digital twin’ gaan een voortdurende wisselwerking aan met als inzet stroomlijning van ontwerp, productie en onderhoud.

Elke fabriek een Digital Twin

tekst: Leendert van der Ent

‘Digital twin’ is een nieuw buzzword binnen de procesindustrie sinds Gartner het bij de top tien strategische technologietrends voor 2017 schaarde. Als theoretisch concept hanteerde de NASA het al lang. Maar het was Michael Grieves van de University of Michigan die in 2002 de term ‘digital twin’ bedacht. Toch begint het pas de laatste tijd zinvol voor de maakindustrie om zo’n digitale tweeling te realiseren, nu Internet of Things (IoT) toepassingen beter binnen bereik komen.
Bernard Marr vat in Forbes Magazine van 6 maart 2017 samen: “De virtuele weergave van de fysieke werkelijkheid biedt de gelegenheid tot data-analyse en systeemmonitoring om problemen op te lossen voordat ze zich voordoen, om down-time te voorkomen, nieuwe mogelijkheden te ontwikkelen en toekomstplanningen te maken op basis van simulaties.” Bedrijven die investeren in digitale tweelingen kunnen dertig procent verbetering in de cyclustijden van hun kritische processen bereiken, voorspelt IDC.

 Samensmelting

 In een digital twin komen twee ontwikkelingen bij elkaar. Al jaren ontwerpen ontwikkelaars hun nieuwe onderdelen, producten en machines in (3D) CAD. Om een goed eindresultaat te kunnen ontwerpen, simuleren ze veelal ook een of meerdere processen rond het onderdeel, het product of de machine. Wat gebeurt er met materiaal, temperatuur, luchtstroming, eigenlijk? Na verloop van tijd ontstaan er steeds meer digitale replica’s, modellen en simulaties van onderdelen en (deel)processen.

De laatste jaren verzamelen sensoren in productielijnen en fabrieken grote hoeveelheden data over de real-time status van de kapitaalgoederen en de operationele omstandigheden die het productieproces beïnvloeden. Beide ontwikkelingen smelten samen in de digitale tweeling: virtual prototyping ontmoet real-time productiedata.

Van de eerste ontwerptekening tot het einde van de productlevenscyclus is alles virtueel voorhanden en verbonden. Alle digitale bronnen komen in de cloud samen om de relevante aspecten van een lijn of fabriek digitaal weer te geven. De terugkoppeling met praktijkdata helpt daarbij een continue verbetering op gang. De digitale tweeling draagt bij tot een beter begrip van processen en tot makkelijker samenwerken op afstand. Zo komen mogelijke verbeteringen sneller in beeld en kunnen innovaties sneller worden bedacht, ontworpen, getest en uitgevoerd.

Orders beoordelen

 Hoe kan dat in de praktijk verlopen? Het Fraunhofer Instituut voor ProcesTechnology (IPT) in Aken beschikt over een kleinschalige productie-demonstrator, gekoppeld aan een digital twin. Stel, er komt direct bij deze productiefaciliteit een order voor een productserie op klantspecificatie binnen. Kan het product wel volgens deze specificaties worden geproduceerd? 

Om die vraag te beantwoorden moeten productonwikkelaars helder krijgen of er op dit product bijvoorbeeld wel voldoende plek is om het vereiste label aan te brengen en of er verder geen conflicerende eisen zijn. Dat kunnen ze checken in de digital twin. Die bevat de geometrie en layout van de productielijn en praktijkgegevens van het machinegedrag. Alle nodige details om de order te kunnen beoordelen zijn opgenomen in het systeem. Verschillende fysieke en virtuele sensoren updaten de status van de productiehardware naar de virtuele tweeling. Die modelleert de fabricage van productvarianten. Zonodig test de twin of en hoe nieuwe apparatuur kan worden ingepast in het bestaande proces om de order mogelijk te maken. Zo wordt duidelijk of de fysieke fabriek de order kan uitvoeren en welke aanpassingen daarvoor eventueel nodig zijn.  

Storing voorkomen

Als de productie eenmaal start, komt de digitale twin nog steeds van pas. De kern is, dat de twin daarbij een paar seconden vooruitloopt op de fysieke productie. Als er dan virtueel op de lijn producten tegen elkaar botsen, legt het systeem de échte fabriek stil voordat de storing optreedt.  Voor deze voorspellende monitoring zijn niet eens fysieke sensoren nodig.

Voor de langere termijn kan Smart data uit de fysieke machines in het virtuele productiesysteem duidelijk maken welke aanpassingen aan de machines voortaan botsingen helemaal kunnen voorkomen. Zo biedt de wisselwerking tussen de lijn en zijn digitale tegenhanger de mogelijkheid tot constante optimalisatie.

Stap voor stap

Voor professor Jan Post, hoogleraar Digital Fabrication aan de Universiteit Groningen en verbonden aan Philips, is het toewerken naar de digitale tweeling een belangrijk aandachtsgebied. “Met een digitale replica van de realiteit kun je via twee kanten aan dezelfde medaille werken. Aan de ene kant voorkom je storingen en down-time in je proces om zo efficiënt mogelijk te kunnen produceren. Aan de andere kant zijn procesoptimalisatie richting meer output, betere productkwaliteit en ‘zero defect’-productie de doelen – en dat bij kleine, vergaand geïndividualiseerde productseries.”

De weg naar een digitale tweeling verloopt stap voor stap. Post: “Je kunt beginnen door CAD-tekeningen te koppelen aan digitale testdata van fysieke prototypes. Dan volgt de koppeling met productie: bij elke nieuwe lijn, fabriek of reconfiguratie neem je voortaan de interactie tussen de verschillende machines mee. Zo ontstaan er steeds meer verbindingen tussen product(ontwerp), proces(ontwerp) en productie, tot deze aspecten volledig geïntegreerd zijn.”

Modellering levert a priori data, dus data voordat de realiteit aan de orde is. Na realisatie ontstaat de a posteriori data op basis van online sensor-informatie. De fusie van model met productie-data levert de kennis voor zowel predictive maintenance als sturing van de productkwaliteit op.”

Idealiter versnelt de productontwikkeling, verbetert het productieproces en neemt de productkwaliteit toe. Post neemt de versnelling van productontwikkeling bij bijvoorbeeld scheerhoofden als voorbeeld: “De productie is een complex samenspel van meteriaaleigenschappen, vormtechnologie, warmtebehandeling, afwerking en assemblage. Het kan een jaar kosten voordat je een prototype in je handen hebt. Heb je er twee nodig, dan ben je twee jaar bezig. Als je eenmaal over een digitaal tweeling van een dergelijk onderdeel beschikt, heb je binnen twee dagen de uitkomsten van virtuele testen om je productontwerp te optimaliseren.”

Niet onderschatten

Sommige bedrijven doen het voorkomen alsof het maken van een digital twin van alle processen een peuleschil is. Post weet wel beter: “Als je alle processen rond bijvoorbeeld scheerkoppen wilt snappen, de hele keten van materiaal- tot de interactie met huid, moet je veel verschillende modellen van verschillende processen en toeleveranciers samenvoegen tot een procesketen. Dat is een immense opgave, waarbij je blij mag zijn als je dit in Europese projecten kan doen zodat je het werk kan verdelen in samenwerking met partners.”

 

Reageer op dit artikel