Industrie 4.0: Leitfaden für die intelligente Fertigung mit Digital Twin Technology

Fertigungsteams arbeiten in Umgebungen, in denen kleine Fehler enorme Auswirkungen haben können. Sicherheit und Betriebsverfügbarkeit hängen davon ab, wie gut die Mitarbeiter die tatsächlichen Gegebenheiten in der Fertigung verstehen – und nicht nur davon, wie die Systeme auf dem Papier funktionieren sollen.

Digitale Zwillinge helfen dabei, diese Lücke zu schließen. Durch die Erstellung genauer, visueller Darstellungen realer Produktionsumgebungen erhalten Teams eine gemeinsame zentrale Informationsquelle, mit der sie Bediener schulen, Änderungen planen, Prozesse dokumentieren und die Arbeit über Rollen und Standorte hinweg koordinieren können.

In diesem Artikel werfen wir einen Blick darauf, wie digitale Zwillinge heute in der Fertigung eingesetzt werden, wobei der Schwerpunkt auf der Transparenz auf Fabrikebene und der operativen Entscheidungsfindung liegt. Sie werden sehen, wie 3D-Modelle Daten und Workflows in einem realen Kontext verankern, um Teams dabei zu helfen, sicherer zu arbeiten und täglich bessere Entscheidungen zu treffen.

Was ist ein digitaler Zwilling in der Fertigung?

Digitale Zwillinge werden im gesamten Fertigungslebenszyklus eingesetzt, von der Planung und Produktion bis hin zu Betrieb und Wartung. Sie unterstützen Schulungen, Raumplanung und Dokumentation und ermöglichen es Teams, Bedingungen zu überprüfen oder Änderungen zu planen, ohne den laufenden Betrieb zu unterbrechen oder Personen zu gefährden.

In der Fertigung ist ein digitaler Zwilling eine visuelle Repräsentation eines physischen Produkts, einer Maschine oder eines Arbeitsplatzes. Er spiegelt die realen Bedingungen wider und hilft den Teams zu verstehen, wie Anlagen, Prozesse und Umgebungen in der Fertigung tatsächlich funktionieren.

In der Fertigung werden digitale Zwillinge typischerweise auf vier Ebenen eingesetzt: einzelne Anlagen, Produktionslinien, gesamte Fabriken und standortübergreifende Lieferketten. Jede Ebene unterstützt unterschiedliche Ziele, von der Überwachung von Anlagen bis hin zur Koordinierung von Betriebsabläufen über verschiedene Standorte hinweg.

Matterport ist am stärksten auf Anlagenebene, über standortübergreifende Anwendungsfälle hinweg. Diese übergeordneten digitalen Zwillinge konzentrieren sich darauf, reale Anlagen zu erfassen und Standorte miteinander zu vernetzen, wodurch Teams den räumlichen Kontext erhalten, den sie benötigen, um Arbeiten zu planen, Zustände zu dokumentieren und zusammenzuarbeiten, ohne vor Ort sein zu müssen.

Die untenstehende Tabelle schlüsselt die vier Stufen digitaler Zwillinge in der Fertigung auf und erklärt, wann jede am nützlichsten ist.

Industrie 4.0: Wie digitale Zwillinge und intelligente Technologie die Fertigung verändern

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts brachten die Dampfkraft und die Mechanisierung die erste industrielle Revolution hervor. Zwei Jahrhunderte später befinden wir uns mitten in der Industrie 4.0 – einer digitalen Transformation, die digitale Zwillingsmodelle, Augmented Reality, das Internet der Dinge (IoT) und maschinelles Lernen integriert, um die Produktivität der Fertigung und die Automatisierung vieler Schlüsselprozesse zu verbessern.

Laut der Umfrage von Deloitte zum Thema Smart Manufacturing and Operations 2025 wenden 78 % der Befragten mehr als 20 % ihres gesamten Budgets für Verbesserungsmaßnahmen für Initiativen im Bereich Smart Manufacturing auf, und 88 % gehen davon aus, dass die Investitionen im kommenden Jahr auf dem gleichen Niveau bleiben oder steigen werden.

Die Muster bei der Einführung von Industrie 4.0 und digitalen Zwillingen variieren je nach Branche:

• Automobilindustrie: Komplexe Produktionsumgebungen und häufige Umrüstungen stellen die Planung vor Herausforderungen. Digitale Zwillinge werden zur Dokumentation und Koordination dieser Umgebungen eingesetzt, wobei Zwillinge auf Werksebene dabei helfen, Umrüstungen zu planen, Layouts zu validieren und interne Teams sowie Zulieferer aufeinander abzustimmen, ohne die Produktion zu beeinträchtigen.

• Elektronik und High-Tech: Schnelle Produktzyklen und dichte Gerätelayouts treiben die Einführung voran. Digitale Zwillinge bieten Teams eine zuverlässige Möglichkeit, Räumlichkeiten zu planen, neue Prozesse einzuführen und Änderungen zu kommunizieren, wenn der physische Zugang eingeschränkt ist.

• Pharmazeutika: Strenge Validierungs- und Zugangskontrollen machen persönliche Begehungen kostspielig. Digitale Zwillinge unterstützen Fernprüfung, Schulung und Dokumentation, während die Compliance gewahrt und Störungen minimiert werden.

• Chemikalien: Gefährliche Umgebungen und alternde Infrastruktur erhöhen das Risiko. Digitale Zwillinge bieten eine sicherere Möglichkeit, Layouts zu verstehen, die Instandhaltung zu planen und Verfahren zu überprüfen, ohne das Personal unnötigen Gefahren auszusetzen.

• Lebensmittel und Getränke: Kontinuierliche Produktion und Hygieneanforderungen schränken den Zugang zu laufenden Anlagen ein. Digitale Zwillinge werden eingesetzt, um Schulungen, Audits und die Anlagenplanung zu unterstützen, ohne den Betrieb zu unterbrechen.

Mit Matterport haben Teams Zugriff auf einen digitalen Zwilling, der einen physischen Raum zu einem bestimmten Zeitpunkt modelliert. In Verbindung mit IoT-Sensoren können diese digitalen Zwillinge über die reine Dokumentation hinausgehen und zur Echtzeit-Überwachung sowie zur operativen Entscheidungsfindung beitragen. Gemeinsam tragen diese Technologien dazu bei, dass Hersteller die Sicherheit verbessern und Prozesse automatisieren können, ohne dabei den Bezug zur Realität in der Fertigung zu verlieren.

8 Beispiele für den Einsatz von digitalen Zwillingen in der Fertigung

Digitale Zwillinge helfen der Fertigungsindustrie, schneller und intelligenter zu arbeiten. Digitale Zwillinge können auch dazu beitragen, die Konfiguration der Fabrikhallen zu optimieren, Ausfallzeiten zu verringern und Ihnen ein tieferes Verständnis für die von Ihnen verwalteten physischen Vermögenswerte zu vermitteln. Hier sind die 8 wichtigsten Beispiele für den Einsatz digitaler Zwillinge in der Fertigung:

• Immersives, risikoarmes Schulungsprogramm für Mitarbeiter in der Fertigung

• Maßgenaue Space-Planung und Layoutvalidierung

• Prädiktive Wartungsplanung basierend auf dem physischen Kontext

• Qualitätskontrolle und Prozessdokumentation, verknüpft mit realen Geräten

• Compliance-Prüfungen und Auditvorbereitung ohne Betriebsunterbrechung

• Modellierung des Energieverbrauchs und Nachhaltigkeitsplanung

• Echtzeit-Einblicke in den Betriebsablauf bei Anbindung an Live-Datenquellen

• Standortbesuche aus der Ferne, Inspektionen und Zusammenarbeit ohne Reisen

1. Schulungen für neue Mitarbeiter

• Herausforderung: Die Schulung neuer Bediener ist eine erhebliche Investition. Im Unterricht im Klassenzimmer fehlt es oft an einem praktischen Kontext, während Schulungen vor Ort durch Lärm, Sicherheitsvorschriften und laufende Betriebsabläufe eingeschränkt sein können, was das Lernen erschwert.

• Lösung: Digitale Zwillinge bieten neuen Mitarbeitern eine sichere, leicht zugängliche Möglichkeit zum Lernen, bevor sie die Fabrikhalle betreten. Teams können Geräte mit Schulungsnotizen und Best Practices versehen sowie SOPs, Checklisten, Handbücher, Fotos und Videos direkt mit den Orten verknüpfen, an denen die Arbeit ausgeführt wird. Die Local Union 669 nutzt hierfür Matterport, da, so Jeffrey Van Rhyn Jr., Koordinator für Technologie und Bauvorschriften, „Matterport eine bessere Alternative darstellt, als den Auszubildenden noch mehr Bücher zum Lesen und noch mehr Fragen zum Beantworten zu geben“, denn „es bietet ihnen die Möglichkeit, sich in einer realistischen Situation zurechtzufinden, sodass sie auf der Baustelle selbstbewusst und sicher agieren können.“

2. Raumplanung

• Herausforderung: Wenn neue Maschinen und Änderungen in den Arbeitsabläufen die Nutzung von Spaces verändern, kann die Planung von Anpassungen anhand einfacher Grundrisse, Schemata oder Fotos zu Fehlern oder Missverständnissen führen. Lücken im Verständnis treten oft erst spät zutage, wenn Veränderungen bereits im Gange sind.

• Lösung: Digitale Zwillinge bieten eine maßstabsgetreue, fotorealistische Ansicht der Anlage, mit der Teams Änderungen zuversichtlich planen können. Matterport erfasst den Ist-Zustand und unterstützt den Export von Daten wie E57-Punktwolken, die in BIM- und CAD-Tools wie Revit importiert oder über die Autodesk Construction Cloud (ACC) freigegeben werden können. Anhand eines präzisen Raummodells können Teams Änderungen an Produktionslinien oder Umbaumaßnahmen bereits vor Beginn der Arbeiten überprüfen, die Aufstellung der Anlagen validieren und die Arbeiten so planen, dass das Risiko von Betriebsunterbrechungen minimiert wird.

3. Prädiktive Wartung 

• Herausforderung: Man weiß nie, wann eine Maschine ausfallen wird. Eine unerwartete Reparatur kann die Produktion verlangsamen und zu Umsatzeinbußen führen, insbesondere wenn Teams Schwierigkeiten haben, die richtigen Wartungsinformationen schnell zu finden.

• Lösung: Digitale Zwillinge unterstützen die vorausschauende Wartung, indem sie Reparaturdetails, Handbücher und andere wichtige Unterlagen direkt mit den Anlagen im Modell verknüpfen. Die digitalen Zwillinge von Matterport lassen sich über APIs in CMMS- und EAM-Systeme integrieren und vereinen so Wartungshistorie, Inspektionsdaten und Arbeitsaufträge in einer gemeinsamen räumlichen Ansicht. In Kombination mit Daten von IoT-vernetzten Geräten können Teams vorausschauende Warnmeldungen im Kontext auswerten und Reparaturen planen, bevor es zu Ausfällen kommt.

4. Qualitätskontrolle

• Herausforderung: Eine gleichbleibende Qualität aufrechtzuerhalten, ist in komplexen Produktionsumgebungen schwierig. Wenn Probleme auftreten, müssen Teams die Einhaltung von Standards wie den Anforderungen der FDA, der ISO oder der GMP nachweisen, wobei oft nur begrenzte Unterlagen darüber vorliegen, wie die Anlagen und Raumaufteilungen zum damaligen Zeitpunkt eingerichtet waren. Ohne eine klare Sicht auf vergangene Zustände können Ursachenanalysen langsam und unsicher sein.

• Lösung: Digitale Zwillinge erstellen eine mit Zeitstempel versehene visuelle Dokumentation der Produktionsumgebung. Die Teams können frühere Grundrisse, die Anordnung der Geräte und die Umgebungsbedingungen überprüfen, um zu verstehen, welche Bedingungen zum Zeitpunkt des Auftretens eines Qualitätsproblems herrschten. Diese visuellen Nachweise ermöglichen eine schnellere Ursachenanalyse und zuverlässigere Qualitätsprüfungen.

5. Compliance

• Herausforderung: Audits kosten Zeit und stören den Betrieb. Veraltete Zeichnungen und unvollständige Unterlagen verlangsamen die Vorbereitungen, während Vor-Ort-Begehungen zusätzliche Risiken und Reisekosten mit sich bringen, insbesondere bei mehreren Standorten.

• Lösung: Digitale Zwillinge unterstützen virtuelle Audits und Vorabbesichtigungen mithilfe von zeitgestempelten visuellen Aufzeichnungen von Grundrissen und Sicherheitsvorkehrungen. Teams können direkt im Modell Notizen und Tags hinzufügen, um Audit-Nachweise einheitlich zu erfassen. Dadurch entsteht eine gemeinsame Compliance-Plattform, die Betriebsunterbrechungen verringert und Reisetätigkeiten einschränkt.

6. Energieverbrauchsmodellierung

• Herausforderung: Die Hersteller sehen sich einem zunehmenden Druck ausgesetzt, den Energieverbrauch und die Emissionen zu senken, ohne dabei den Durchsatz zu beeinträchtigen. In komplexen Anlagen verbergen sich Abfälle häufig in Versorgungssystemen, die sich nur schwer übersichtlich darstellen oder dokumentieren lassen.

• Lösung: Digitale Zwillinge machen die Energienutzung leichter verständlich, indem sie Auditergebnisse und Energiedaten direkt auf ein 3D-Modell der Anlage abbilden. Teams können Problembereiche visuell identifizieren und Modernisierungen oder Nachrüstungen anhand genauer Bestandsbedingungen planen. Dies trägt dazu bei, Ausschuss zu reduzieren und gleichzeitig die Beeinträchtigung des laufenden Betriebs so gering wie möglich zu halten.

7. Operative Einblicke in Echtzeit

• Herausforderung: Herkömmliche Dashboards zeigen Daten ohne physischen Kontext. Wenn Leistungsprobleme auf das Layout oder die räumliche Nähe zurückzuführen sind, müssen die Teams häufig vor Ort sein, um zu verstehen, was tatsächlich vor sich geht. Dies wiederum verlangsamt die Reaktionszeit.

• Lösung: Mithilfe von digitalen Zwillingen können Teams IoT- und Maschinendaten direkt in einem räumlich präzisen 3D-Modell der Anlage einsehen. Wenn die Daten direkt vor Ort verfügbar sind, lassen sich Probleme leichter aus der Ferne diagnostizieren und Entscheidungen standortübergreifend koordinieren, ohne auf persönliche Begehungen vor Ort warten zu müssen.

8. Standortbesuche aus der Ferne

• Herausforderung: Viele Hersteller sind an mehreren Standorten tätig, was den Wissensaustausch und die Abstimmung erschwert. Die Terminvereinbarung für persönliche Besuche ist zeitaufwendig und schränkt häufig ein, wer die Einrichtung sicher betreten darf. Gleichzeitig können sensible Umgebungen nicht ohne weiteres zugänglich gemacht werden, ohne dabei Risiken zu verursachen.

• Lösung: Digitale Zwillinge ermöglichen Remote-Besichtigungen aus der Ferne, wodurch interne Teams, Partner und zugelassene Gäste einen klaren Einblick in die Fabrik erhalten, ohne reisen zu müssen. Stakeholder können den Raum virtuell begehen, die Raumaufteilung nachvollziehen und den Zustand mithilfe eines Browsers oder eines Mobilgeräts begutachten. Zugriffskontrollen und Berechtigungen stellen sicher, dass nur autorisierte Nutzer bestimmte Bereiche oder Informationen einsehen können, wodurch sensible Anlagendaten geschützt werden, während die Zusammenarbeit weiterhin möglich bleibt.

Erstellen Sie digitale Zwillinge zur Rationalisierung von Fertigungsprozessen mit Matterport

Teams aus dem gesamten Fertigungssektor wenden sich an Matterport, um maßstabsgetreue digitale 3D-Zwillinge zu erstellen. Hier sind einige Beispiele dafür, wie Matterport Fertigungsunternehmen dabei hilft, ihre Ergebnisse zu verbessern:

• Der Fisch- und Meeresfrüchtehersteller Nordlaks hat sich mit Matterport zusammengetan, um den aktuellen Zustand im Rahmen einer umfangreichen Werkserweiterung zu dokumentieren. Die Teams nutzen die Scans in der Autodesk Construction Cloud, um sich grenzüberschreitend mit Lieferanten abzustimmen. Das Modell ermöglicht die Überprüfung auf Kollisionen, noch bevor die Ausrüstung eintrifft. Es unterstützt auch virtuelle Besichtigungen, wenn Personen nicht vor Ort sein können. Tømmerås schätzt, dass die Werkzeuge ihm Stunden sparen und den Reiseaufwand verringern.

• GSN ist ein Anbieter von Fertigungsautomatisierungslösungen, der digitale Zwillinge von Matterport für Schulungen an komplexen CNC-Systemen einsetzt. Teams speichern Prozessschritte und Qualitätskontrollen im Modell. Sie speichern dort auch Handbücher und Anleitungen. Dies verkürzt die Lernkurve und senkt die Schulungskosten. Außerdem verringert es das Risiko für Personen und Ausrüstung während der Schulung.

• Der weltweit tätige Industriekonzern Siemens nutzt Matterport, um die Anordnung der Fertigungslinien zu überprüfen, ohne dass sich die Mitarbeiter in der Produktionshalle versammeln müssen. Stakeholder können sich im Modell treffen und Details ohne Lärmbeeinträchtigung untersuchen. Siemens nutzt außerdem das Matterport-SDK, um Echtzeit-IoT-Daten im digitalen Zwilling zu platzieren. Dieser räumliche Kontext erleichtert die Interpretation der von den Sensoren übermittelten Daten.

• Der Lebensmittel- und Getränkehersteller Danone arbeitete mit Matterport zusammen, um die Anzahl der Besuche in Produktionsstätten, in denen strenge Sicherheits- und Qualitätsvorschriften gelten, zu reduzieren. Danone berichtet von bis zu 50 % weniger Besuchen vor Ort durch Unternehmenspersonal. Teams nutzen das Modell in Meetings, um Produktionslinien zu überprüfen und Arbeiten zu planen. Danone verwendet zudem Tags zur Unterstützung von Schulungen und Dokumentationen.