Der Digitale Zwilling in Entwicklung, Fertigung und Betrieb. Christof Gebhardt, CADFEM,

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1 Titelmasterformat Industrie 4.0 in der durch Antriebstechnik Klicken bearbeiten Der Digitale Zwilling in Entwicklung, Fertigung und Betrieb Christof Gebhardt, CADFEM, 1

2 Was ist der Digitale Zwilling? Virtuelles Abbild spezifischer Produkte Zustandsüberwachung im Betrieb Online: Live per IoT Offline: near real time Virtuelle Sensoren By Prof. Marius Geller, FH Dortmund By Tomaž Jančar - Vlastito djelo, CC BY-SA 3.0, 2

3 Digitaler Zwilling für Windkraftanlagen - General Electric Marc-Thomas CADFEM Schmidt, 2016 GE Digital, The Power of Predix Twin and Edge, 3

4 Prädiktive Wartung Wartungskonzepte Reaktiv Präventiv Prädiktiv Motivation (Quelle: US DoE) ROI 10x Wartungskosten -25% Ausfälle -70% Stillstand -35% Produktivität +20% Quelle: Polizeiinspektion Stade 4

5 Reale Felddaten für die Produktentwicklung As Designed Designed MODEL-BASED ENTERPRISE & SYSTEMS ENGINEERING As Operated INTEGRATED IOT ASSETS & ECOSYSTEMS Digital Signatures Virtual Sensors Design Decisions Cost Weight Efficiency Robustness Operational Decisions Life Performance Diagnostics Optimize

6 Kundenverhalten & Neue Services Es geht nicht nur um die Digitalisierung der Produktion, sondern um die Digitalisierung von Produkten. Nicht Prozessinnovationen sind entscheidend, sondern innovative Geschäftsmodelle. Prof. Frank Piller, RWTH Aachen, über Industrie 4.0 6

7 Kundenverhalten & Neue Services Google Antriebstechnik Internet: Google Suche, Analytics, Mail Industrie 4.0 Data Mining Verhaltensmodelle??? Data Mining Verhaltensmodelle Messdaten Digitale Zwillinge Data Mining: Sensitivitäten, Korrelationen Produkt Google News Google Now Google Maps Verkehrslage Produkt??? 7

8 Der Digitale Zwilling liefert Verhaltensmodelle für Kunden Antriebe sind Teil eines Systems Systemingenieure benötigen realitätsnahe Produkteigenschaften Bedeutung von verfügbaren Verhaltensmodellen wird weiter steigen Schutz des geistigen Eigentums gewährleisten 8

9 Der Digitale Zwilling für kundenindividuelle Produkte Kundenindividuelle Produkte Neue Fertigungsverfahren Neue Entwicklungsmethoden 9

10 Der Digitale Zwilling für kundenindividuelle Produkte Automatisierte Absicherung von Produkteigenschaften Qualitätsmanagement für Losgröße 1 Verschärfend: Produkt-Updates Allgemein Kundenspezifisch Applikationsspezifisch Quelle: teslamotors.com,

11 Digitaler Zwilling - Anforderungen Abbildung der relevanten Effekte Physikalisch: elektrisch, magnetisch, thermisch, mechanisch, strömungsmechan. Logik, Software Wechselwirkungen Geschwindigkeit Echtzeitfähig Physikalische Echtzeitfähigkeit vs. Software Feldanalysen in 2D/3D für Industrie 4.0 noch zu aufwändig reduzierte Modelle = reduced order models (ROM s): Faktor schneller = von Stunden auf Sekunden Verfügbare Technologie FMU/FMI, SPM, ECE, LTI, MOR 11

12 Titelmasterformat Der Digitale Zwilling durch - Komponenten Klicken bearbeiten 12

13 Digitale Zwillinge Komponenten Produktentwicklung Zeit, Kosten, Qualität, Innovation Systematische Variation geometrischer und physikalischer Größen Parametrische Simulation Sensitivitätsanalyse Optimierung Zuverlässigkeitsbewertung Automatisierte Arbeitsweisen und Lösungsverfahren

14 Digitale Zwillinge Komponenten Produktentwicklung Ganzheitliche Betrachtung des Antriebssystems Motor Leistungselektronik Regelung Interaktion mit Arbeitsmaschine und Prozess 14

15 Digitale Zwillinge Komponenten Produktentwicklung Ganzheitliche Betrachtung des Antriebssystems Motor Leistungselektronik Regelung Interaktion mit Arbeitsmaschine und Prozess Strömung und Wärmeübergang in einem E-Motor Quelle: ANSYS Germany GmbH Simulation von Strömung und Wärmeübergang am Wickelkopf Quelle: Brosshardt, BMW Group, Entwicklung neuartiger Kühlkonzepe für elektrische Antriebsmaschinen, ACUM

16 Digitale Zwillinge Komponenten Produktentwicklung Ganzheitliche Betrachtung des Antriebssystems Motor Leistungselektronik Regelung Interaktion mit Arbeitsmaschine und Prozess Festigkeitsanalyse Rotor mit vergrabenen PM Verbindungsanalyse von Presssitz und PM-Klebung Deformation eines Wickelkopfes 16

17 Digitale Zwillinge Komponenten Produktentwicklung Ganzheitliche Betrachtung des Antriebssystems Motor Leistungselektronik Regelung Interaktion mit Arbeitsmaschine und Prozess 17

18 Digitale Zwillinge Komponenten Produktentwicklung Ganzheitliche Betrachtung des Antriebssystems Motor Leistungselektronik Regelung Interaktion mit Arbeitsmaschine und Prozess Acessible for sensors Hot-Spot inside structure Temperaturabhängige Demagnetisierung verbessert die Momentenberechnung eines E-Motors 18

19 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P_ REF P1 2 P1 1 P1 0 P9 Digitale Zwillinge Komponenten Produktentwicklung Ganzheitliche Betrachtung des Antriebssystems Motor Leistungselektronik Regelung Interaktion mit Arbeitsmaschine Ambient und Prozess Q Thermal Domain z_up z_vp z_wp Electrical Domain Mechanical Domain U2 Simplorer4 Induction_Motor_20kW E1 VM311 R6 R5 R4 IN_A IN_B IN_C A A A OUT_A OUT_B OUT_C R1 R2 R3 A B C N ROT1 ROT2 MASS_ROT1 z_um z_vm z_wm + 0 V 19

20 Digitale Zwillinge Komponenten Produktentwicklung Ganzheitliche Betrachtung des Antriebssystems Motor Leistungselektronik Regelung Interaktion mit Arbeitsmaschine und Prozess Hybridantrieb mit 1. Leistungselektronik 2. Verhaltensmodell E-Motor 3. Getriebe per Modelica 4. Embedded Software als FMU 20

21 Digitale Zwillinge Komponenten Produktentwicklung Ganzheitliche Betrachtung des Antriebssystems Motor Leistungselektronik Regelung Interaktion mit Arbeitsmaschine und Prozess 21

22 Digitale Zwillinge Komponenten Produktentwicklung Ganzheitliche Betrachtung des Antriebssystems Motor Leistungselektronik Regelung Interaktion mit Arbeitsmaschine und Prozess 22

23 Digitale Zwillinge Komponenten Fertigung 23

24 Digitale Zwillinge Komponenten Fertigung Einfluss des Spritzgießens auf Produkteigenschaften Gesamtverformung aus ANSYS Strukturanalyse Verschiebungen zwischen mm und mm (Abweichung > 600 %) 24

25 Digitale Zwillinge Komponenten Fertigung Stanzen von Elektroblechen Eine runde Form ist ein signifikanter Wettbewerbsvorteil Gewalzter Stahl weist ein Anisotropes Materialverhalten auf Kreisrunde Werkzeuge produzieren oval geformte Zuschnitte Simulationsgestützte Optimierung minimiert Ovalität Source: Vito Bratus, Hidria

26 Digitale Zwillinge Komponenten Fertigung Induktive Erwärmung Ermittlung der Induktor-Formen für die ideale Feldverteilung Frühzeitige Kontrolle der Prozessparameter in der Fertigung Anlassen, Härten Genaue Abbildung der Bauteileigenschaften für eine hohe Produktqualität Temperaturfeld Verzug Gefügestruktur Einhärtetiefe

27 Digitale Zwillinge Komponenten Fertigung Schweißen Gekoppelte Betrachtung Strom-Temperatur-Deformation Werkzeuge für Materialmodelle Kinetik der Mikrostruktur STAAZ Methode Schließen der Schweißnaht Wärmequellen Schweißprozess und Wärmebehandlung Verzug, Eigenspannungen, Härte, Prozessparameter, Mikrostruktur

28 Digitale Zwillinge - Bausteine Ganzheitliche Betrachtung des Antriebssystems in der Produktentwicklung Motor Leistungselektronik Regelung Interaktion mit Arbeitsmaschine und Prozess Einfluss des Herstellprozesses auf die Produkteigenschaften 28

29 Titelmasterformat Zusammenfassung durch Klicken bearbeiten 29

30 Zusammenfassung Digitale Zwillinge Baustein zur Transformation von Daten zu Wissen Ganzheitliche Betrachtung aller Produkteigenschaften Fokus Betrieb Einfluss Produktentwicklung & Produktion Industrie 4.0 Vernetzung = Daten Individualisierung der Produktion Neue Geschäftsmodelle 30

31 Der Digitale Zwilling 31