Digitale Zwillinge von Fahrzeugen: Wenn physische und digitale Modelle aufeinandertreffen

Die Digitalisierung der Renault Group ist nichts Neues, doch sie gewinnt zunehmend an Dynamik, während sich das Unternehmen zu einem „Tech-Unternehmen“ wandelt. Diese Ausrichtung ist unerlässlich, um der wachsenden technologischen Komplexität der Fahrzeuge, den immer zahlreicheren technischen und regulatorischen Anforderungen sowie der kontinuierlichen Verbesserung bestehender und zukünftiger Fahrzeuge gerecht zu werden, die sich nun in einer vernetzten Welt bewegen. Seit einigen Jahren sind die Werkzeuge, die den Bereichen Design und Entwicklung zur Verfügung stehen, so weit fortgeschritten, dass die virtuelle Realität der physischen voraus ist. Der digitale Zwilling existiert bereits vor dem Fahrzeug selbst. Erläuterungen.

Der digitale Zwilling: Was ist das? 

Im Wörterbuch wird ein digitaler Zwilling als digitale Nachbildung eines Objekts, eines Prozesses oder eines Systems definiert. In der Automobilbranche wurden die ersten digitalen Zwillinge durch Digitalisierung oder virtuelles Kopieren realer Fahrzeuge erstellt. Teil für Teil, bis hin zur kleinsten Schraube. Daher der Begriff „Zwilling“. Mit dem technologischen Fortschritt wird der digitale Zwilling nun vor seiner physischen Version erstellt. Seine Bezeichnung ist irreführend, denn tatsächlich besteht der digitale Zwilling aus allen digitalen und physischen Modellen des zukünftigen physischen Objekts. Aus deren Reifegrad wird dieses schließlich entstehen.

Der digitale Zwilling – die Automobilindustrie kann nicht mehr darauf verzichten. Er hat die Arbeitsabläufe aller Beteiligten in den Bereichen Konstruktion, Fertigung und Reparatur von Fahrzeugen revolutioniert. Die Bereiche Design, Entwicklung, Fertigung und Kundendienst verbessern ihre Leistungen, können über die Cloud in Echtzeit miteinander „kommunizieren“ und während der gesamten Lebensdauer des Fahrzeugs auf eine umfassende und stets aktuelle Datenbank zugreifen. Und das verändert wirklich alles!

Von der Entstehung des digitalen Zwillings

Bei der Entwicklung eines Fahrzeugs ist die Designabteilung für die Gestaltung der Form und des Erscheinungsbilds (Karosserie, Farben und Materialien eines Fahrzeugs) verantwortlich und muss dabei Ästhetik, Funktion und physikalische Gegebenheiten in Einklang bringen. Sie ist die erste Abteilung, die einen „Teil“ des digitalen Zwillings entwirft, indem sie virtuelle Modelle des Außen- und Innenbereichs des zukünftigen Modells erstellt. Das Ziel dieser zahlreichen „Test“-Modelle ist es, die bestmöglichen Darstellungen und Oberflächenausführungen zu erzielen.

Die verwendeten digitalen Werkzeuge für realistische Darstellungen sind so ausgefeilt, dass die Designer das Aussehen und die wahrgenommene Qualität einer virtuell erstellten Karosserie oder eines Innenraums beurteilen können. Sie können die Texturen der Teile, deren Passform und sogar die Reflexionen der glänzenden oder verglasten Teile des Autos steuern. Man könnte fast meinen, man wäre mittendrin!

Die Designabteilung übermittelt anschließend ihre Entwürfe für den Innen- und Außenbereich des zukünftigen Fahrzeugs in Form von digitalen Daten über die Cloud an die Konstruktionsabteilung.

Bei der Geburt der leiblichen Zwillinge

Die Konstruktionsabteilung übernimmt nun von der Designabteilung und entwirft das Auto aus technischer Sicht. Auf der Grundlage der in der Cloud verfügbaren digitalen Modelle erstellt sie Schritt für Schritt virtuell ein komplettes Fahrzeug in 3D. Karosserie, Fahrwerk, elektrische und elektronische Architektur, Motor … es fehlt fast nichts!

Mithilfe ihrer Werkzeuge für die dreidimensionale numerische Simulation sind die Ingenieure in der Lage, bereits in einem sehr frühen Stadium einen virtuellen Insassen in ein zukünftiges Fahrzeug zu setzen, so wie er sich auch in einem realen Auto befinden würde. Durch diese Tests werden insbesonderedie Anforderungen an die Sitzposition (Ergonomie) und die Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMS) überprüft.

Die Entwicklungsabteilung gewährleistet die Konformität aller Bauteile, aber auch der Systeme (Fahrassistenzsysteme, Sensoren usw.). Mithilfe des digitalen Zwillings entwickelt und testet sie jedes Bauteil und jede Ausrüstung des Fahrzeugs so oft wie nötig und ohne physikalische Einschränkungen, um deren Funktion innerhalb des Systems und zwischen den Systemen zu überprüfen. Absolut nichts wird dem Zufall überlassen: Herstellbarkeit, Montierbarkeit, Kompatibilität, Langlebigkeit usw.

In dieser Phase nutzen die Ingenieure den vollständigen digitalen Zwilling in einer immersiven 3D-Simulation, um beispielsweise die Aerodynamik der Karosserie, die Motorleistung, das Getriebemanagement oder auch die Effizienz der Klimaanlage mittels virtueller Simulation zu testen. Alles wird auf den Prüfstand gestellt!

Die digitalen Modelle werden zudem virtuellen Crashtests, Fahrszenarien auf virtuellen Straßen sowie Tests im „digitalen“ Windkanal usw. unterzogen. All diese Simulationen lassen sich wesentlich schneller und in weitaus größerer Anzahl durchführen, als dies bei physischen Tests möglich wäre. Durch die vollständige Digitalisierung der Entwicklung und Konstruktion eines Fahrzeugs werden die virtuellen Tests bereits bis zu zwei Jahre vor den realen Tests durchgeführt. Man versteht also, welchen Fortschritt die Technologie des digitalen Zwillings darstellt.

In der Testphase wird jede erfolgreiche technische Entscheidung in einem „optimalen“ digitalen Modell festgehalten. Dieses Modell dient, sobald es vollständig ist, als digitaler Zwilling für die Konstruktion des ersten physischen Modells. Nun geht es von der Theorie zur Praxis!

Endlich Zwillinge!

Nach den virtuellen Tests sind nun die physischen Tests mit echten Prototypen an der Reihe. Trotz der Digitalisierung sind diese nach wie vor unverzichtbar, da nur sie objektive Nachweise liefern – die einzigen „zulässigen Kundenbeweise“. Die Herstellung dieser Prototypen ist extrem kostspielig: Sie werden von Hand gefertigt, jeweils als Einzelstück – nur, um auf die harte Probe gestellt zu werden! Sie durchlaufen eine Vielzahl von Tests, insbesondere dynamische Tests auf den Teststrecken des Renault-Technikzentrums in Aubevoye. Diese Testphase ist nun der letzte Schritt, in dem vor dem Produktionsstart im Werk alles endgültig validiert wird.

Jedes Zwillingsexemplar existiert also: das digitale und das physische. Sie werden sich fortan ihr ganzes Leben lang begleiten.

Und was dann?

Ergänzt um alle an den Prototypen durchgeführten realen Tests wird der endgültige digitale Zwilling von der Fertigung für die Produktion des zukünftigen Serienfahrzeugs genutzt. Die Zulieferer werden den virtuellen Klon jedes Bauteils nutzen, um das physische Bauteil herzustellen. Das Werk seinerseits wird den gesamten digitalen Zwilling nutzen, um die zukünftige Montagelinie virtuell zu entwerfen, die zukünftigen Einstellungen seiner Werkzeugmaschinen festzulegen oder auch die zukünftigen Abläufe (Bewegungen der Mitarbeiter, Transportwege der Bauteile usw.) zu messen. Der digitale Zwilling ist eine wahre Fundgrube an Informationen für alle!

Die Zwillinge begleiten sich ihr ganzes Leben lang, führen jedoch getrennte Leben. Vor der Fertigung des Fahrzeugs „speist“ der digitale Zwilling den physischen. Nach Verlassen des Werks ist es umgekehrt. Die Bereiche des Handels (Logistik, Vertrieb und Kundendienst) versorgen den digitalen Zwilling mit Daten zu Kundenrückmeldungen, zur Qualitätsüberwachung sowie zu Aktualisierungen über die Nutzungder „echten“ Autos im Laufe ihrer „Serienlebensdauer“.

Durch die Virtualisierung konnte die Gesamtdauer für die Entwicklung eines neuen Fahrzeugs um ein Viertel verkürzt werden. Das entspricht einer Zeitersparnis von einem Jahr. Ein außergewöhnlicher Fortschritt angesichts der zunehmenden technologischen Komplexität von Automobilen!
Auch wenn das empirische Lernen (vorerst) nicht verschwinden wird, wird die Zukunft der künstlichen Intelligenz den Anwendungsbereich und die Leistungsfähigkeit des digitalen Lernens exponentiell erweitern. Der digitale Zwilling ist eine wichtige und für die Renault Group sogar unverzichtbare Technologie . Nicht nur bei der Konstruktion und Fertigung von Fahrzeugen. Er ermöglicht die kontinuierliche Verbesserung der Fahrzeuge der Renault Group. Für mehr Sicherheit, Komfort und Fahrspaß der Besitzer. Also, wem gilt der Dank?