Ein digitaler Zwilling (DT) ist ein virtuelles Abbild eines physischen Systems, das dazu dient, die Leistung des Systems zu überwachen und zu diagnostizieren. Er nutzt Daten von Sensoren und anderen Quellen um ein virtuelles Modell des physischen Systems zu erstellen. DT-Technologien können insbesondere für Systeme mit räumlich verteilter Dynamik nützlich sein. Das vorgeschlagene Christian Doppler Labor für digitale Zwillinge für Systeme mit verteilten Parametern zielt darauf ab, Kernmethoden für die Modellierung, den Entwurf, die Parametrisierung, die Optimierung und die Überwachung solcher Systeme zu entwickeln. Die beiden Industriepartner dieses Christian Doppler Labors (CDL) sind AVL List GmbH und Semperit Technische Produkte GmbH. Aus der Perspektive ihrer Anwendungsbereiche konzentriert sich das CDL auf digitale Zwillingsmethoden für Brennstoffzellen und Batterien im Automobil, Elektrolyseure sowie Elastomer-Extrusionsprozesse.
Schäden in einer Brennstoffzelle oder Batterie werden immer lokal ausgelöst. In ähnlicher Weise hängt die Produktqualität in einem Extrusionsprozess entscheidend von vordefinierten Temperatur- und Druckverteilungen ab. Um solche Systeme und Prozesse mathematisch korrekt zu beschreiben, hat sich das CDL für Digital Twins for Distributed Parameter Systems zum Ziel gesetzt, echtzeitfähige verteilte Parametermodelle von minimaler Komplexität zu entwickeln. Die räumlich verteilte Dynamik wird mit Hilfe eines Netzwerks von Sensoren erfasst, um Daten über das Verhalten des Systems an mehreren Orten aufzuzeichnen. Diese Daten werden verwendet, um ein virtuelles Modell des Systems zu parametrisieren und zu aktualisieren. In diesem Zusammenhang wird das CDL die In-situ-Sensorik und mögliche Soft-Sensoren zur Optimierung der Prozessüberwachung untersuchen.
Ein weiteres Hauptziel des CDL ist die Fähigkeit von DT, zu lernen und sich im Laufe der Zeit anzupassen. Je mehr Daten gesammelt und analysiert werden, desto genauer kann der DT werden und desto mehr wertvolle Erkenntnisse über die Systemleistung liefern. Dies ermöglicht eine kontinuierliche Optimierung und Verbesserung, was im Laufe der Zeit zu größerer Effizienz und Kosteneinsparungen führt.
Eine dritte große Herausforderung für die Forschung im Rahmen des CDL ist die Entwicklung von Methoden zur effektiven Überwachung der Systemleistung. Dazu gehört z.B. die Identifikation und Beobachtung von Stressoren für die verschiedenen Komponenten. Auf der Grundlage dieser Methoden soll die Entwicklung von Prognosen für die Lebenserwartung oder die Produktqualität in Angriff genommen werden. Eine wichtige Forschungsrichtung ist der Einsatz von verteilten Zustandsbeobachtern für die Diagnose in digitalen Zwillingen. Sie können die Genauigkeit des digitalen Zwillings verbessern, indem sie eine präzisere Modellierung des physischen Systems ermöglichen, ein Mittel zur frühzeitigen Erkennung von Fehlern oder Anomalien im physischen System bieten und somit eine proaktive Wartung ermöglichen. Außerdem können sie die Optimierung des Systems in Echtzeit erleichtern.
Das Fachwissen der Industriepartner zusammen mit dem hohen Niveau der Grundlagenforschung bei den Forschungspartnern sind die Zutaten für ein erfolgreiches Forschungsprogramm, das innovative und nachhaltige Ergebnisse liefert. Die bestehende und langjährige Zusammenarbeit zwischen den Partnern garantiert auch eine effektive Umsetzung des Forschungsplans. Letztendlich werden die im Rahmen des vorgeschlagenen CDL entwickelten Methoden des digitalen Zwillings den Industriepartnern Spitzentechnologie liefern und eine Plattform für langfristige Entwicklungen in den jeweiligen Unternehmen bieten. Die positiven Auswirkungen auf umweltfreundliche Technologien sind ein weiterer Vorzug des vorgeschlagenen Programms.
