Effizienzsteigerung: Der digitale Zwilling optimiert den Kaffeegenuss

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Digitale Zwillinge sind in der Produktentwicklung längst zu einem unverzichtbaren Werkzeug geworden. Selbst Traditionsunternehmen wie der Kaffeemaschinenexperte Gruppo Cimbali haben ihn eingeführt. Welche Potenziale setzt der digitale Zwilling über den Lebenszyklus frei?

Effizienzsteigerung in der Praxis: Sie sind täglich über viele Stunden unter harten Bedingungen in Bars und Restaurants im Einsatz. Professionelle Kaffeemaschinen sind hochtechnologische, komplexe Systeme. Sie bestehen aus einer Vielzahl miteinander verbundener Komponenten, die sich gegenseitig in ihrer Leistung und damit die Prozesse der Kaffeeproduktion beeinflussen können. Die Entwicklung einer Kaffeemaschine ist daher eine anspruchsvolle Aufgabe, die unzählige zeitaufwändige physikalische Tests erfordert.

Digitaler Zwilling: das Prinzip

Im Kern ist der digitale Zwilling ein einfaches Konzept: Durch Kombination von Simula­tion und realen Daten (etwa von Sensoren) kann der virtuelle Zwilling des physischen Objekts oder Prozesses erstellt werden, um tiefere Erkenntnisse zu gewinnen und Entwicklungsentscheidungen zu verbessern.

Mit dem digitalen Zwillingen wird sichtbar, wie sich das Gesamtsystem unter bestimmten Bedingungen und Belastungen verhalten wird. Das verringert die Abhängigkeit von physischen Prototypen – wo bis dato mehrere reale Prototypen notwendig waren, um Tests durchzuführen und genaue Daten zu sammeln, übernimmt dies nun der Zwilling. Das spart Zeit, Geld und Material.

Durch den Datenaustausch zwischen dem physischen und dem virtuellen Zwilling entsteht ein Kreislauf, bei dem die Daten des physischen Objekts die Optimierung und Effizienzsteigerung des Zwillings unterstützen – und umgekehrt.

Der Zwilling in Nahaufnahme

Heute kann der digitale Zwilling weit über das schlichte 3D-Modell des physischen Objekts hinausgehen. Die Technologie erlaubt die Konzeption und Erstellung von 0D-, 1D-, 2D- und vollständig interaktiven physikbasierten Modellen – wobei sich der digitale Zwilling auch auf nicht-physikalische Objekte beziehen kann. Beispielsweise nutzen Finanzunternehmen die Technologie, um, anstatt physischer Produkte, Verhaltensweisen, Tendenzen oder Verläufe zu modellieren. Möchte eine Bank die Genehmigung betrügerischer Käufe verhindern, könnte sie einen digitalen Zwilling der Ausgabentendenzen und -historie einer Person erstellen. Maschinelles Lernen kann anhand dieses Modells erkennen, wann die reale Person legitime Käufe tätigen würde und wann, bei einer Transaktion, ein Betrugsverdacht besteht.

Effizienzsteigerung in die Praxis gebracht

In der Industrie können digitale Zwillinge Kosten, Projektzeit, Abfall sowie den CO2-Fußabdruck reduzieren und Wartungsintervalle optimieren. Unternehmen treiben daher die Implementierung voran. Ein Unternehmen, das sich bereits seit Jahrzehnten mit dem digitalen Zwilling beschäftigt, ist Altair, das mit Software, Infrastruktur und Dienstleistungen die Erstellung digitaler Zwillinge unterstützt: mit Simulation, Datenübertragung, maschinellem Lernen und High-Performance-Computing. Welches Potenzial der digitale Zwilling auf dieser Basis bietet, zeigt das Beispiel des Kaffeemaschinenherstellers Gruppo Cimbali.

Mit digitalem Zwilling zum perfekten Kaffee

Gruppo Cimbali S.p.A. entwickelt und produziert profes­sionelle Maschinen für Espresso, Frischmilchgetränke und Kaffee – sowie weitere Catering-Ausrüstung. Das Unternehmen, zu dem die Marken La Cimbali, Faema, Slayer und Casadio gehören, setzt auf hohe Qualität; und auf digitale Transformation, um Innovationen und die Benutzerfreundlichkeit der Maschinen weiter voranzutreiben.

Um die Anzahl der physischen Tests und Prototypen zu reduzieren, benötigten die Ingenieure der Gruppo Cimbali ein virtuelles Modell, das jeden Aspekt einer bestehenden oder neuen Kaffeemaschine virtuell abbildet. Mit Hilfe dieses digitalen Zwillings wollten die Ingenieure das System optimieren sowie Innovation und die Entwicklung besserer, nachhaltiger Kaffeemaschinen fördern.

Effizienzsteigerung: Physik für bessere Barista-Erlebnisse

Die Ingenieure setzten Altair Activate ein, um gemeinsam mit dem Altair Team einen digitalen Zwilling ihrer Basiskaffeemaschine zu entwickeln – ein Archetyp, von dem die digitalen Zwillinge für die neuen Kaffeemaschinen abgeleitet werden. Durch ihre Fähigkeit, das Verhalten der Maschine, einschließlich aller damit verbundenen physikalischen Aspekte wie Mechanik, Fluiddynamik und Thermodynamik, zu untersuchen und zu optimieren, sind die digitalen Zwillinge sowohl bei der Entwicklung neuer Produkte als auch bei der täglichen Problemlösung und Optimierung von bestehenden Maschinen fester Bestandteil der Entwicklung geworden.

Gruppo Cimbali kann so mehr Optionen für ein neues Produkt testen und die besten technologischen Lösungen für jeden Bereich schneller identifizieren. Der digitale Zwilling ermöglicht ihnen nicht nur, fundierte Entscheidungen über die beste Dimensionierung und andere physikalische Faktoren zu treffen, sondern liefert auch schnelle Antworten, ganz ohne physische Tests. Darüber hinaus ermöglicht der digitale Zwilling die Optimierung von bereits auf dem Markt befindlichen Maschinen, indem er potenzielle Schwachstellen in ihnen erkennt.

Der Einsatz des digitalen Zwillings ermöglicht es den Ingenieuren der Gruppo Cimbali, das Maschinenverhalten vorherzusagen und die Energieeffizienz, die thermische Dimensionierung und andere physikalische Größen zu untersuchen, bevor sie physische Tests durchführen. So konnte das Unternehmen bei einem seiner neuesten Produkte die Verlustenergie um rund 20 Prozent im Vergleich zum Vorgängermodell reduzieren und eine echte Effizienzsteigerung verzeichnen. Zudem hat die Gruppo Cimbali die Anzahl der Prototypen, die Entwicklungszeit und die mit Tests verbundenen Kosten reduziert, während gleichzeitig mehr Designvarianten erforscht werden konnten.

Fazit

Mit der Altair-Lösung erhielt das Unternehmen schnelle Antworten, auch auf sehr komplexe Fragen. Dieser ganzheitliche
Simulationsansatz reduziert den Bedarf an physischen Tests, bringt Produkte schneller zur Marktreife und erhöht die Energieeffizienz der Maschinen.

Der Autor Christian Kehrer ist Business Development Director System Modelling bei Altair.

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