Gebruikmaken van een ‘digital twin’ bij het ontwerpen van een willekeurig aandrijfsysteem biedt meerwaarde op verschillende vlakken. Zo zijn ontwerptijden te verkorten, de kans op fouten aanzienlijk te reduceren en wanneer zo’n ‘twin’ eenmaal gereed is, evolueert hij in de tijd mee met de werkelijke aandrijving. Zodanig dat optimalisaties zijn door te voeren met betrekking tot bijvoorbeeld energie-efficiëntie of output maar bijvoorbeeld ook de tijdstippen van onderhoud.

De ‘digital twin’ – of in goed Nederlands: de digitale tweeling – is een begrip waarvan veel mensen wel hebben gehoord, maar lang niet iedereen begrijpt wat het precies is. In een artikel over dit fenomeen is het daarom goed om te beginnen met een goede definitie. Omdat de term ‘digital twin’ meer is ingeburgerd dan ‘digitale tweeling’, kiezen we ervoor om deze keer het Engelse begrip te hanteren. 

Wat is een digital twin? 

Net als veel andere digitaal gerelateerde thema’s zoals BIM (Bouw Informatie Model) of PLM (Product Life Cycle Management), is de digital twin een breed begrip. Letterlijk gezien is het de digitale versie van een ‘echt’ object. Of dit nu een aandrijving, complete machine of productielijn is. Op het eerste gezicht lijkt het op een tekening zoals we die kennen uit CAD-programma’s. Het grote verschil is de grote hoeveelheid informatie die in een digitale tweeling extra beschikbaar is. Wat deze informatie precies is, hangt onder meer af van de toepassing en het object zelf. 

Statisch model 

Een aandrijving bestaande uit bijvoorbeeld een elektromotor, overbrenging, lagers en een as, wordt in een digital twin voorzien van verschillende soorten informatie. Gelijk aan een CAD-tekening is dat als eerste de maatvoering. Maar daarna wordt het veld breder. Kijken we naar het statische model, dan is iedere specifieke component gekoppeld aan technische informatie zoals de materiaalsoort, maximale belasting, snelheid, toerental of versnelling, levensduur en benodigd smeermiddel. Maar ook bijvoorbeeld het typenummer, locatie in het magazijn en beschikbaarheid. Wanneer een specifieke toepassing gericht is op duurzaamheid, dan speelt ook het energieverbruik een rol en tevens de CO2 footprint die weer gekoppeld is aan productie en transport (en dus aan de locatie waar een element wordt gemaakt en de betreffende producent). 

Op deze manier is een statische digital twin te voorzien van een diversiteit aan soorten informatie waarmee de werkelijkheid steeds verder wordt benaderd tot er inderdaad een ‘identiek’ model aan de werkelijkheid is gecreëerd. Identiek staat daarbij tussen aanhalingstekens omdat het nooit mogelijk zal zijn álle informatie te koppelen. En dat is in de praktijk ook niet nodig. 

Dynamisch 

Nog interessanter wordt het wanneer de digital twin wordt doorontwikkeld als dynamisch model door ook de bijbehorende processen en de omgeving te betrekken. Wanneer het gaat om aandrijvingen, zijn dit processen als warmteontwikkeling en slijtage en de bijbehorende krachten, bewegingen en snelheden. Bovendien wordt de onderlinge afhankelijkheid van de losse componenten ten opzichte van elkaar in het model betrokken. Hiermee vertegenwoordigt een digital twin uiteindelijk zijn fysieke object in realtime. 

Voordelen van een digital twin 

Onder andere bij TNO wordt onderzoek gedaan naar – zoals zij het noemen – ‘Digital Twining’. Onder deze noemer brengt het onderzoeksinstituut data, modellen en het bedrijfsproces bij elkaar en creëert een digitale levenscyclus naast de fysieke levenscyclus. Dit levert diverse mogelijkheden op. Simuleren en optimaliseren in de ontwerpfase Een van de belangrijkste voordelen van een digital twin is dat met het digitale ‘evenbeeld’ simulaties zijn uit te voeren in het kader van veiligheid, optimalisatie, kostenverlaging, energiebesparing enzovoorts. 

Jeroen Broekhuijsen is bij TNO betrokken bij dit onderzoek en geeft aan: ‘Alles draait tegenwoordig om digitalisering. Zolang de Nederlandse maakindustrie producten, machines en mensen slim aan elkaar koppelt en de allernieuwste technologieën toepast, kan zij haar internationale concurrentiepositie behouden. Digital Twinning is een van de aandachtgebieden waarmee wij dat mogelijk maken. De centrale vraag die aan Digital Twinning voorafgaat, is wat een ondernemer wil bereiken. Voor de een is dat de mogelijkheid om een virtueel product in een 3D-animatie heel nauwkeurig te analyseren zodat je zeker weet dat het heel blijft tijdens het gebruik. Voor de ander gaat het om de kans om het productieproces te volgen, te analyseren en te vergelijken met de twin die het optimale proces uitrekent. Dit helpt om de planning te optimaliseren en doorlooptijden te verkorten.’ 

Digital Twin in een marketing omgeving

Bijzonder is dat de digital twin niet alleen ‘technische’ voordelen biedt bij het ontwerpen, gebruiken en onderhouden van aandrijvingen, maar ook een meerwaarde kan zijn voor de afdeling marketing en opleiding. Etteplan geeft bijvoorbeeld aan: ‘Digital twins zijn specifiek af te stemmen op marketing en opleidingsdoeleinden vanwege het gemak waarmee ze – op de laptop – zijn mee te nemen naar trainingen of vakbeurzen. Het is niet nodig de (zware) aandrijving echt mee te nemen én toch te kunnen tonen hoe hij werkt onder welke omstandigheden. Het simulatiemodel is te gebruiken om – in het kader van opleiding – een gebruikerservaring voor de klant te creëren die overeenkomt met de werkelijke bedrijfsomstandigheden en om de werking van machines op bijvoorbeeld moeilijk bereikbare plaatsen te demonstreren. Denk daarbij aan bijvoorbeeld ATEX-gecertificeerde aandrijvingen in de procesindustrie. Demonstratiemodellen zijn daarbij naar wens ook te combineren met VR- en AR-technologie, wat uiteraard nog meer voordelen biedt.’

Dit geldt ook voor het ontwerpen van een aandrijving. Met een goed digitaal ontwerp kan de constructeur ‘spelen’ en optimaliseren met componenten, software, smeermiddelen enzovoorts, nog voordat de aandrijving fysiek is samengebouwd. Door simulatie kan hij op voorhand problemen achterhalen en deze oplossen waarmee sneller het gewenste eindresultaat wordt bereikt. Onderzoek wijst uit dat ontwerpen en testen met een digital twin de kosten van het prototypestadium met 30 à 50 procent verlaagt én de doorlooptijd van het productontwerp met 20 à 30 procent. 

Operationele fase en onderhoud 

Ook wanneer het systeem operationeel is, kan een digital twin de nodige meerwaarde bieden. Dit op basis van data die door aangebrachte sensoren worden verzameld en in het model worden ingevoerd. Zeker in de beginfase bieden deze data een goede mogelijkheid om het model veder te finetunen en de digital twin nog realistischer te maken. Op basis daarvan zijn weer nieuwe optimalisaties vast te stellen die het betreffende bedrijf helpen bij het behalen van de doelstelling. Of dit nu een hogere productie, een hogere kwaliteit of een lager energieverbruik is. 

Tot slot zijn digital twins ook in te zetten voor het optimaliseren van het onderhoud. Simuleren laat zien wat er gebeurt wanneer onderhoudsintervallen iets worden opgerekt of juist verkort. Verlaagt dit de kosten, verbetert het de beschikbaarheid van de aandrijving of leidt het tot problemen met betrekking tot bijvoorbeeld kwaliteit, veiligheid of beschikbaarheid? Daarnaast biedt de realtime verbinding van de digital twin met een machine mogelijkheden voor conditiebewaking en preventief onderhoud. Het bedrijf Etteplan zegt hierover: ‘Digital twins die op een fysiek apparaat worden geïnstalleerd, kunnen de werking van de machine tijdens het gebruik voorspellen en simuleren en zo nog slimmere berichten doorgeven aan de bediener.’ 

Ontwerpen van een digital twin 

Het opzetten van een digital twin is niet eenvoudig, maar gezien de voordelen zeker de moeite waard. In veel gevallen wordt dit gedaan door een gespecialiseerd bedrijf of bijvoorbeeld tijdens een workshop of in een fieldlab. Aan de basis van een goede digital twin staan de afzonderlijke componenten, maar bovenal de interactie tussen deze componenten. Hiermee is uiteindelijk kunstmatige intelligentie in staat om de eerder genoemde simulaties uit te voeren en van de beschreven voordelen te profiteren. Wie zijn aandrijvingen wil ontwerpen

met behulp van een digital twin, doet er verstandig aan bij een specialist om advies te vragen én vooraf te bepalen wat het doel wordt van de digital twin. Pas dan is de juiste informatie te verzamelen, in te voeren en aan elkaar te koppelen en is uiteindelijk het maximale voordeel te behalen.

Praktijktoepassing ontwerpen afdichting

Een praktijkvoorbeeld van de toepassing van een digital twin is onder meer een platform van SKF seals waarmee de afdichting in een aandrijving is te simuleren (zie afbeeldingen hierboven). Het betreffende platform maakt gebruik van geavanceerde dynamische simulatiemethoden om in representatieve omgevingen de verschillende afdichtingsontwerpalternatieven te simuleren. Hoe reageren de verschillende opties bijvoorbeeld op snelheid, druk en temperatuur? Voorspellingen van wrijving van gesmeerde afdichtingen en wrijvingswarmte zijn ook opgenomen als onderdeel van het virtuele optimalisatieproces. Hierdoor is dit digital twin-platform niet alleen nuttig tijdens de ontwerpfase van nieuwe componenten, maar ook geschikt bij het oplossen van problemen met bestaande afdichtingssystemen.