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 Engineering zur Verfügung stehen, so weit fortgeschritten, dass die virtuelle Realität der physischen Realität voraus ist. Der digitale Zwilling existiert noch vor dem Fahrzeug selbst. Erläuterungen.

Der digitale Zwilling: Was ist das? 

Im Wörterbuch ist ein digitaler Zwilling die digitale Nachbildung eines Objekts, eines Prozesses oder eines Systems. In der Automobilbranche wurden die ersten digitalen Zwillinge durch die Digitalisierung oder virtuelle Kopie 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 ihrer Reife wird dieses entstehen.

Der digitale Zwilling – die Automobilindustrie kann nicht mehr darauf verzichten. Er hat die Arbeitsweisen der Akteure in den Bereichen Konstruktion, Fertigung und Reparatur von Fahrzeugen revolutioniert. 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, wobei Ästhetik, Funktion und physikalische Gegebenheiten in Einklang gebracht werden müssen. Sie ist die erste Abteilung, die einen „Teil“ des digitalen Zwillings entwirft, indem sie virtuelle Modelle des Exterieurs und Interieurs des zukünftigen Modells erstellt. Das Ziel dieser zahlreichen „Test“-Modelle ist es, die bestmöglichen Darstellungen und Oberflächen zu erzielen.

Die eingesetzten digitalen Werkzeuge für realistische Darstellungen sind so ausgereift, 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 sei mittendrin!

Anschließend übermittelt die Designabteilung 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 eineiigen Zwillinge

Die Konstruktionsabteilung übernimmt nun von der Designabteilung und entwirft das Fahrzeug in technischer Hinsicht. 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!

Dank ihrer Werkzeuge für die dreidimensionale Computersimulation können Ingenieure bereits in einem sehr frühen Stadium einen virtuellen Insassen in ein zukünftiges Fahrzeug setzen, so wie er sich 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 sowie der gesamten 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 physische Einschränkungen, um deren Funktionsweise 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 Herz und Nieren geprüft!

Die digitalen Modelle werden zudem virtuellen Crashtests, Fahrszenarien auf virtuellen Straßen und Tests im „digitalen“ Windkanal unterzogen. All diese Simulationen lassen sich wesentlich schneller und in weitaus größerer Zahl durchführen, als dies bei physischen Tests möglich wäre. Durch die vollständige Digitalisierung der Entwicklung und Konstruktion eines Fahrzeugs finden die virtuellen Tests bereits bis zu zwei Jahre vor den realen Tests statt. 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 bildet, sobald es vollständig ist, den digitalen Zwilling, der zur Konstruktion des ersten physischen Modells verwendet wird. Nun geht es von der Theorie zur Praxis!

Endlich Zwillinge!

Nach den virtuellen Tests sind nun die physischen Tests mit realen Prototypen an der Reihe. Trotz der Digitalisierung sind diese unverzichtbar, da sie nach wie vor die einzigen sind, die objektive Nachweise liefern – die einzigen „zugelassenen Kundenbeweise“. Die Herstellung dieser Prototypen ist extrem kostspielig: Sie werden von Hand gefertigt, einzeln und nur, um strapaziert 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 dann?

Der endgültige digitale Zwilling, der mit allen an den Prototypen durchgeführten realen Tests angereichert wurde, wird von der Fertigung für die Produktion des zukünftigen Serienfahrzeugs genutzt. Die Zulieferer werden den virtuellen Klon jedes Teils nutzen, um das physische Teil herzustellen. Das Werk wiederum 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 Bediener, Transportwege der Teile 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 kaufmännischen Bereiche (Logistik, Vertrieb und Kundendienst) versorgen den digitalen Zwilling mit Rückmeldungen von Kunden, Qualitätsüberwachungsdaten und Aktualisierungen zur Nutzungder „echten“ Autos während ihrer „Serienlebensdauer“.

Dank der Virtualisierung konnte die Gesamtdauer für die Entwicklung eines neuen Fahrzeugs um ein Viertel verkürzt werden. Das bedeutet eine Zeitersparnis von einem Jahr. Ein außerordentlicher 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 Entwicklung 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 unser Dank?