Digital Twinning in de machinebouw

Dit blijkt uit rapport Digital Twinning: de volgende concurrentieslag in de maakindustrie’ dat eind 2018 door ABN AMRO werd gepubliceerd. Hier volgt een groot deel van dat rapport.
Door middel van computersimulaties kan Digital Twinning in verschillende fases van een productieproces voorspellen hoe een object of proces zich in bepaalde omstandigheden gaat gedragen. In het rapport worden verschillende ondernemers geïnterviewd die al met succes gebruik maken van deze innovatie. Digital Twinning kan van toegevoegde waarde zijn in verschillende fasen.

Virtueel ontwerp

Voor machinebouwers zijn vooral de eerste twee fases van belang. Het rapport geeft een voorbeeld. Stel, een bedrijf ontwerpt een mobiel noodaggregaat. Door het aggregaat eerst virtueel samen te stellen, kan geëxperimenteerd worden met combinaties van verschillende motoren en componenten, afhankelijk van de toepassing. Bij een aggregaat voor festivals is geluidsisolatie belangrijk, terwijl een aggregaat op een boorplatform tegen barre weersomstandigheden moet kunnen. Door het aggregaat virtueel samen te stellen en daarna simulaties uit te voeren, kan het ontwerp digitaal geoptimaliseerd worden voordat er daadwerkelijk componenten worden gekocht of geproduceerd. Dit heeft grote voordelen, zoals een beter ontwerp en lagere (materiaal)kosten.

Met hetzelfde digitale ontwerp kan het productieproces vervolgens worden gesimuleerd om te testen of het assemblageproces efficiënter kan. Als het aggregaat tenslotte eenmaal in gebruik is, kan de producent dankzij data die worden geleverd door sensoren in het aggregaat zijn product optimaliseren tijdens het gebruik. Daarnaast kan door analyse van de data onderhoud gepland worden en kunnen onderdelen gerepareerd of vervangen worden voordat een storing optreedt.

Wat is Digital Twinning?

Heel simpel gezegd is een Digital Twin een computersimulatie van een fysiek object of proces. Idealiter wordt die computersimulatie voortdurend verrijkt met data die worden geleverd door sensoren in het object. Digital Twins kunnen worden gebruikt om een object of proces beter te begrijpen, om te voorspellen hoe het zich in bepaalde omstandigheden zal gedragen en om het uiteindelijk te optimaliseren.

Digital Twinning kan een rol spelen tijdens de hele ‘levensduur’ van een product. Die ‘product life cycle’ kan in drie fases worden ingedeeld: 1. Ontwerp, 2. Productie en 3. Onderhoud. Digital Twinning is niet nieuw. Zoals bij veel innovaties liggen de wortels ervan bij de ruimtevaart en het leger. In 2002 is de term Digital Twin ontwikkeld aan de Universiteit van Michigan. Begin 2010 omarmde de NASA de Digital Twin als simulatie-instrument voor het ontwerp van nieuwe straaljagers en ruimtevaartuigen.

Ontwerp

Digital Twinning kan in allerlei situaties worden toegepast, zegt ook Patrick Fokke, directeur verkoop bij Siemens Industry Software: ‘In de ontwerpfase kunnen kosten worden bespaard. Stel dat je een laptop ontwerpt. Je kunt in een digitaal model simuleren hoe een laptop zal functioneren met bepaalde componenten of combinaties daarvan. Zonder een fysiek prototype of zelfs maar een 3D-tekening te maken kun je bijvoorbeeld achterhalen of de laptop bij gebruik te heet wordt.’ Ook in de auto-industrie worden ‘digitale dubbelgangers’ gebruikt, bijvoorbeeld voor crashtests.

Digitale crashtests zijn goedkoper dan fysieke crashtests, want er hoeft geen hagelnieuwe auto met hoge snelheid tegen een betonnen muur te pletter worden gereden. Als er eenmaal een simulatie van de crashtest is gecreëerd, kan het digitale ontwerp van de auto eindeloos tegen de virtuele muur aan gort worden gereden, zonder extra kosten. Dankzij Digital Twinning zijn de kosten lager, is de time-to-market korter en wordt minder materiaal verspild.

Een sprekend voorbeeld is Maserati, dat als een van de eerste autofabrikanten Digital Twinning heeft toegepast in de ontwerpfase. Maserati stelde het digitale ‘prototype’ bloot aan gesimuleerde windtunneltests en aan testritten op een digitaal racecircuit. Zo bespaarde Maserati niet alleen op de materiaalkosten, maar was de fabrikant bovendien in staat de ontwerpfase dertig procent sneller te doorlopen.

Productie

Dankzij Digital Twinning is een betere samenwerking mogelijk tussen de afdeling Productie en de ontwerpers. ‘De ontwerpen worden nog wel eens aangepast in de fabriek’, vertelt Fokke. ‘Daar kan Productie bijvoorbeeld besluiten een ander component te gebruiken. Mochten eventuele aanpassingen aan het product nodig zijn voordat het geproduceerd kan worden, dan worden die aanpassingen meteen automatisch verwerkt in de Digital Twin. Daardoor wordt het makkelijker een nieuwe serie van het product te maken, want de ontwerpers weten dan ook dat het digitale ontwerp is gewijzigd in de fabriek en nemen die wijzigingen mee in hun nieuwe ontwerp. Voor de maakindustrie is dat een van de grootste voordelen van Digital Twinning, want nu wordt vaak nog op verschillende eilandjes gewerkt, waarbij de ontwerpers niet weten wat in de fabriek gebeurt en andersom.’

Tegelijk kan het simuleren van het productieproces worden benut om vast te stellen of er knelpunten zijn. Dan gaat het om bijvoorbeeld om de vraag in welke volgorde bepaalde componenten moeten worden geplaatst. Om dat te testen, kan een digitaal model van het productontwerp in de software worden geladen. ‘De software is in staat de meeste machines te simuleren, zodat je makkelijk een digitale test van het productieproces kunt uitvoeren’, legt Fokke uit. ‘Pas als de simulatie probleemloos verloopt, genereer je met de software automatisch een maakprogramma voor de machine. Op die manier kun je vaak de eerste serie meteen foutloos produceren. Dat scheelt aanzienlijk in de kosten en zorgt voor een betere benutting van je capaciteit.’

‘Offline’ programmeren

Kees Timmermans (67), oprichter van Timmermans Verspaning, gebruikt Digital Twins om de productie in zijn fabriek te optimaliseren: ‘Dertig jaar geleden heb ik dit bedrijf opgericht. Toen werd alles nog aan de machine geprogrammeerd.’ Een paar jaar geleden zette het verspaningsbedrijf, dat een omzet draait van zo’n 6 miljoen euro, een eerste stap op het gebied van Digital Twinning. Zijn werkplaats in het Brabantse Oudenbosch staat vol grote machines. Aan de zijkant staat het kantoor, waarin CNC-programmeur Klaas Kampen programma’s voor machines voorbereidt: ‘Terwijl de machines draaien, bereid ik hier de programma’s voor de volgende series werkstukken voor’, legt hij uit. ‘Ik simuleer het maakprogramma, zodat ik zeker weet dat er geen fouten in zitten. Vroeger kwam het wel eens voor dat het gereedschap de machine beschadigde. Pas als alles klopt, stuur ik het maakprogramma naar de machine. De operator hoeft niet meer per se ‘online’ aan de machine te programmeren. Alles kan nu ‘offline’ voorgeprogrammeerd worden.’

Nu ook voor het mkb betaalbaar

Voor het mkb was Digital Twinning pakweg twintig jaar geleden onbereikbaar. Nu niet meer. Sensoren en rekenkracht via de ‘cloud’ zijn de laatste jaren veel goedkoper geworden en de simulatiesoftware wordt steeds gebruiksvriendelijker. Daardoor kunnen ook mkb-ondernemers met Digital Twinning aan de slag zonder miljoenen te moeten investeren.

Klein starten

Dit bevestigt Erik Burghoorn, CEO van Cards PLM Solutions: ‘Digital Twinning is nu zeker interessant voor het mkb. Het hoeft geen tonnen of miljoenen te kosten. Kijk eens goed waar de meeste winst te halen valt en begin met een investering van enkele tienduizenden euro’s. Veel softwareleveranciers bieden implementatie tegen een vooraf vastgestelde prijs, dus je hoeft niet bang te zijn dat de kosten maar blijven oplopen zoals bij de installatie van ERP-systemen vaak gebeurt. Het zijn meestal ook geen lange trajecten. De implementatie duurt meestal een paar dagen. Reken op een doorlooptijd van vier tot zes weken.’

Maakindustrie

Voor de maakindustrie is vooral het simuleren van het productieproces van belang, zodat het product uit de machine komt zoals het ontworpen is en aan de technische eisen voldoet. Bij een simpele toepassing van Digital Twinning in de maakindustrie zijn de kosten bovendien snel terugverdiend. Zo heeft het eerdergenoemde bedrijf Timmermans Verspaning het aantal productiefouten verlaagd en de benutting van de capaciteit verhoogd. Ook de arbeidsproductiviteit is gestegen.
Spuitgietbedrijf QDP, dat enkele tienduizenden euro’s in Digital Twinning investeerde, heeft daarvan geprofiteerd. Het bedrijf test met behulp van software of het digitale ontwerp van het product overal de juiste wanddikte heeft, zodat het product stevig genoeg is.

Niet de hoogste prioriteit

Toch zijn veel mkb-ondernemers nog niet met Digital Twinning bezig. Daarbij speelt mogelijk de hoogconjunctuur een rol: de maakindustrie draait op volle toeren om aan de hoge vraag te voldoen, waardoor investeringen in efficiënte productie momenteel niet de hoogste prioriteit hebben. Mogelijk is een mentaliteitsverandering nodig, denkt Burghoorn: ‘De generatie van de babyboomers, die decennialang succesvol is geweest zonder digitalisering, moet inzien dat het tijd is om te veranderen. Ik sprak laatst een ondernemer die zei: ‘Als ik ‘s avonds met een glas wijn op de bank zit, dan zie ik in gedachten het hele productieproces voor me, daar heb ik geen software voor nodig.’ Met zo’n mentaliteit ga je het waarschijnlijk niet redden. Nu gaat het misschien goed, maar er komt een moment dat andere bedrijven wél efficiënter gaan werken. Dankzij Digital Twinning kun je echt tot in detail het productieproces simuleren, waardoor je knelpunten en fouten kunt opsporen en voorkomen. Dat lukt je echt niet met een glas wijn op de bank.’