Der digitale Zwilling ist da – und leichter zu bekommen als Sie vielleicht denken

Martin Gadsby, Director von Optimal Industrial Technologies, erklärt, was digitale Zwillinge sind und wie prozessanalytische Technologien (PAT) genutzt werden können, um Fertigungsprozesse digital zu klonen.

Für den digitalen Zwilling gibt es eine Vielzahl an Definitionen und Beschreibungen. Einfach ausgedrückt handelt es sich um virtuelle Nachbildungen materieller Objekte, die herangezogen werden können, um Vorgänge in der realen Welt nachzuvollziehen oder vorherzusagen. Derartige digitale Repräsentanzen sind möglich für einzelne Komponenten, Maschinen, Endprodukte, Systeme innerhalb einer Produktionslinie oder ganze Fertigungsprozesse. Außerdem können sie entweder statisch sein, d. h. sie interagieren nicht mit ihrem realen Gegenstück, oder dynamisch. In diesem Fall nutzen sie sensorbasiertes Feedback der materiellen Einheiten, um ihre Modelle entsprechend anzupassen und optimierte Ergebnisse und Prognosen zu liefern.

Digitale Zwillinge eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen, vom Product Lifecycle Management (PLM) über die vorausschauende Wartung von Industriemaschinen bis hin zur Personalschulung in virtuellen Umgebungen. Darüber hinaus können digitale Zwillinge die vorausschauende Fertigung und die fortgeschrittene, qualitätsrelevante multivariate statistische Prozesslenkung (Multi-Variate Statistical Process Control, MSPC) unterstützen.

Im Bereich der medizinischen Kunststoffe eignen sich digitale Zwillinge für qualitätsrelevante MSPC beispielsweise zum Spiegeln von Blas- oder Spritzgussverfahren sowie Nachbearbeitungs- und Veredelungsverfahren. So kann in Echtzeit vorhergesagt werden, wie sich Änderungen an kritischen Prozessparametern (Critical Process Parameters, CPP) wie Schmelztemperatur oder Einspritzgeschwindigkeit auf die Qualität, Haltbarkeit und Zuverlässigkeit der Produkte auswirken.

Zwillinge mit zwei Müttern

Das Konzept der digitalen Zwillinge, insbesondere in Kombination mit MSPC, ist noch relativ neu. Ein gut strukturiertes System auf der Grundlage prozessanalytischer Technologien (PAT) kann dabei das Potenzial beider Konzepte ausschöpfen und sowohl die Qualität als auch die Leistung eines Prozesses maximieren.

Die Schaffung cyber-physischer Abbilder ganzer Herstellungsprozesse wird von Regulierungsbehörden wie der Europäischen Arzneimittel-Agentur (EMA) und der amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) sogar ausdrücklich unterstützt. Mit neuen PAT-Technologien und -Verfahren können Unternehmen ihre vorhandene Infrastruktur nutzen, um digitale Zwillinge für Industrie-4.0-Anwendungen zu implementieren.

PAT liefert vertiefte Prozesserkenntnisse, die eine solide Entscheidungsbasis bilden. Hierfür werden kritische Prozessparameter (CPP) und kritische Qualitätsmerkmale (Critical Quality Attributes, CQA) in-line, on-line und/oder at-line anhand von geeigneten Analyseinstrumenten live erfasst. Wenn dann die Zusammenhänge zwischen den CCP und den CQA des Produkts transparent werden, kann der Prozess in Echtzeit anhand der Qualitätsprognosen gesteuert werden, um sicherzustellen, dass das Endprodukt alle Vorgaben erfüllt. Korrigierende Eingriffe können manuell oder automatisch erfolgen, indem entweder der Bediener auf notwendige Korrekturen hingewiesen oder der Prozess automatisch nachgeregelt wird.

Bei der Herstellung von medizinischen Geräten und Geräten zur Medikamentenverabreichung aus Kunststoff kann PAT beispielsweise die thermische Degradation der Polymere verhindern, indem das Heizprofil des Extruders anhand der Prognosen zur Produktqualität einer Feineinstellung unterzogen wird. Das Herzstück eines jeden PAT-fähigen Systems ist dabei die Wissensmanagement-Software.

Diese verarbeitet und speichert Daten und wandelt sie in Erkenntnisse um, die der Optimierung von Fertigungsprozessen dienen. So bietet sie Herstellern eine Plattform für die Prozesslenkung anhand von Qualitätsprognosen. Außerdem stellt sie die notwendigen Mechanismen für kontinuierliche Verbesserungen bereit, die den Prozess im Laufe der Zeit weiter optimieren. Besonders ausgeprägt sind diese Vorteile, wenn innerhalb der PAT-Wissensmanagement-Plattform ein digitaler Zwilling implementiert wird, da dieser den Weiterentwicklungs-, Optimierungs- und kontinuierlichen Verbesserungsprozess maßgeblich unterstützen kann.

Eine der modernsten und erfolgreichsten konformen PAT-Wissensmanagement-Plattformen ist derzeit synTQ von Optimal, deren neueste „Testmodus“-Funktion einen digitalen Prozesszwilling umfasst. Hiermit können autorisierte Anwender praktisch zu jedem Zeitpunkt im ablaufenden Prozess teilweise oder vollständige PAT-Verfahren (in synTQ „Orchestrations“ genannt) ausführen. So können mit dem digitalen Zwilling im Testmodus effizient Prozessdatenströme generiert und getestet werden, bevor der reale Prozess gestartet wird. Diese Modelle können nach Prozessstart anhand neu gewonnener Daten und Erkenntnisse verfeinert und optimiert werden. Weil verbesserte Modelle vorab in der Umgebung des digitalen Abbilds getestet werden können, gestaltet sich der Prozessanlauf wesentlich reibungsloser. Sobald die optimalen virtuellen Orchestrations erstellt, getestet und gespeichert sind, lassen sie sich systematisch auf die reale Anlage übertragen, um dort die optimalen Betriebsbedingungen herzustellen. Unternehmen können auf diese Weise ihre Prozesse verfeinern und gleichzeitig eine erhebliche Reduzierung von Kosten, Zeit, Rohstoffen und Abfallaufkommen erreichen.

Darüber hinaus kann synTQ als Werkzeug zur Realisierung von umfassenderen Industrie 4.0-Prinzipien verwendet werden, unter anderen zum Aufbau einer vernetzten Fabrik durch die Anbindung von Prozessleitsystemen (Distributed Control Systems, DCS) an übergeordnete Manufacturing Execution Systems (MES). Durch die Wahl fortschrittlicher Lösungen wie synTQ können Hersteller von medizinischen Geräten und Geräten zur Medikamentenverabreichung auf Kunststoffbasis zuverlässige Systeme einrichten und somit ihre Anlagen und Prozesse zukunftssicher machen.

Innerhalb der Optimal-Group verfügen wir über mehr als 30 Jahre Erfahrung in der Automatisierung und Optimierung von Steuerungs- und Datenmanagementsystemen für die Bereiche Lebensmittel, Chemie, Pharma, Biotech, Life Sciences und andere Segmente der Prozessindustrie.

Der Druck auf die Hersteller, ihre Produkte schneller auf den Markt zu bringen, die Entwicklungs- und Produktionskosten zu minimieren und gleichzeitig die Produktqualität und die wirtschaftliche Nachhaltigkeit zu steigern, nimmt immer mehr zu. Unser primäres Ziel sind daher messbare Verbesserungen in all diesen Bereichen.

Neben der Praxiskompetenz in der Automatisierung und Systemintegration hat Optimal Industrial Technologies auch die weltweit führende PAT-Wissensmanagement-Softwareplattform synTQ® entwickelt, die bereits bei 60 % der weltweit führenden Pharma- und Biotech-Unternehmen im Einsatz ist und zunehmend Anwendung auch in anderen Prozessindustrien findet. synTQ hat sich als Erfolgsfaktor für Quality by Design (QbD) durch prozessanalytische Technologie (PAT) bewährt, indem es die Produktivität und Qualität erheblich steigert und zugleich Ausschuss sowie Time-to-Manufacture und Time-to-Market sowohl für Chargen- als auch kontinuierliche Prozesse reduziert.