Ein Digitaler Zwilling entsteht durch die digitale Abbildung eines realen Produktes oder Prozesses entlang des gesamten Lebenszyklus. Durch die permanente Abbildung können Unternehmen die gesammelten Daten für Optimierungs- und Analysezwecke nutzen^3,4.

Es wird zwischen drei Ausprägungsformen des Digitalen Zwillings differenziert, welche dazu dienen, die unterschiedlichen Phasen des Produktlebenszyklus zu unterstützen⁵:

Diese schaffen gemeinsam eine durchgängige digitale Struktur von der Produktidee bis zum Betrieb. Abbildung 1 liefert einen Überblick über die drei Ausprägungsformen des digitalen Zwillings entlang des Produktlebenszyklus inklusive der jeweiligen, potenziellen Einsatzgebiete.

Der Digital Master bildet die digitale Grundlage eines Produkts in der Phase der Produktdefinition und der Produktentwicklung. Er stellt ein abstraktes Grundmodell dar, welches die elementaren Eigenschaften, Strukturen und Funktionen eines Produkts beschreibt. Dadurch können die herkömmlichen dokumentbasierten Ansätze für die Entwicklung neuer komplexer Produkte ersetzt werden. Alle relevanten Konstruktions-, Funktions- und Materialinformationen sind in diesem Grundmodell enthalten⁵.

In dieser Ausprägung des digitalen Zwillings können digitale Mock-ups (DMU), also virtuelle dreidimensionale Produktmodelle, CAD-Modelle sowie simulationsbasierte Analysen genutzt werden, um Produktdesignvarianten virtuell zu testen, zu kalibrieren und zu optimieren. Physikalische Tests können dadurch teilweise ersetzt oder ergänzt werden. Der Digital Master ermöglicht es, Fehler frühzeitig zu erkennen und Designentscheidungen datenbasiert, also nicht auf der Grundlage von empirischen Erfahrungen oder Annahmen, zu treffen. Gleichzeitig bietet er großes Potenzial, Nachhaltigkeitsaspekte wie Ressourceneffizienz oder Recyclingfähigkeit bereits in der Entwicklungsphase zu berücksichtigen⁵.

Auf Basis der Ergebnisse des Digital Masters beschreibt der Digital Manufacturing Twin für die Produktionsphase, wie ein Produkt hergestellt wird und verknüpft Produktdaten mit Produktions- und Logistikinformationen. Der Digital Manufacturing Twin ist ein hochpräzises virtuelles Modell des physischen Fertigungsprozesses für das bereits entworfene Produkt. Dabei werden Fabriken, Anlagen, Prozesse und Materialflüsse digital abgebildet. Auf diese Weise können reale Bedingungen simuliert werden, bevor das physische System hergestellt wird. Verschiedene Einsatzszenarien und Betriebsbedingungen können dadurch kostengünstig in der Software evaluiert und optimiert werden⁵.

Der Einsatz des digitalen Zwillings ermöglicht es, dass bei der Herstellung des Produktes Energieverbrauch, Ausschuss und Fehlplanungen reduziert und damit Ressourcenschonung realisiert werden. Er unterstützt auch die Abbildung flexibler Produktionskonzepte, wie beispielsweise unterschiedliche Losgrößen bis hin zu Größe eins. Durch die Rückkopplung von Daten aus realen Fertigungsprozessen kann dieser Zwilling kontinuierlich aktualisiert werden, um die Effizienz der Produktion zu steigern⁵.

Ein Digital Instance Twin ist der digitale Zwilling eines einzelnen, real existierenden Objekts – mit all seinen individuellen Daten und seinem aktuellen Zustand und wird dann eingesetzt, wenn ein physisches Produkt – beispielsweise eine Maschine – bereits produziert ist. In der Phase der Nutzung und des Betriebs dieses Produktes wird er kontinuierlich mit Echtzeitdaten aus Sensoren und Steuerungssystemen versorgt, die den aktuellen Zustand und das individuelle Nutzungsverhalten abbilden und entlang der gesamten Lebensdauer des Produktes gespeichert werden. Auf dieser Grundlage sind Zustandsüberwachung, Echtzeitanalysen, Prozessoptimierung und vorausschauende Wartung möglich. Wartungs- und Serviceprozesse können gezielt geplant und ungeplante Ausfälle reduziert werden⁵.

Darüber hinaus unterstützt der Digital Instance Twin die Fernwartung sowie den Einsatz von Virtual- oder Augmented-Reality-Anwendungen. Die im Betrieb gewonnenen Daten ermöglichen eine kontinuierliche Verbesserung der Produkte und Prozesse⁵.