Syksyn 2019 teknologiakartoitus osa 3/5: Digital twin

Syksyn 2019 teknologiakartoitus osa 3/5: Digital twin

Syksyn 2019 aikana Digi-Salama-hankkeessa tehtiin viisi teknologiaselvitystä, joissa teemavastaavien johdolla 15 oppilasryhmää tutki hankkeen eri teknologioita. Tavoitteena ryhmillä oli selvittää mitä valitut teknologiat tarkoittavat pintaa syvemmältä raaputettuna, vertailla eri tuotteita ja tapoja soveltaa teknologioita sekä rakentaa demo annettuun teknologiaan liittyen.

Lue osa 1: Cobotiikka
Lue osa 2: Autonomiset robotit

Digital twin -teknologia

Digital twin -teknologia (DT) on yksi pääteknologioista liittyen ns. Industry 4.0 teolliseen vallankumoukseen. Tekniikan alan koulutuksessa on elintärkeää, että opetussuunnitelmat ja koulutuksen sisältö pidetään ajan tasalla. Hyödyntämällä uusia digitaalisia tekniikoita, kuten DT-työkaluja, voimme tarjota uutta tietoa opiskelijoille, opettajille ja yrityksille. Tällä voi olla vaikutusta opiskelijoiden työllistymiseen ja yritysten kilpailukykyyn.

Termiä digital twin eli digitaalinen kaksonen käytetään yleisesti teollisuudessa ja tiedeyhteisössä; tämän käsitteen tarkka määritelmä on kuitenkin vielä tutkimuksen alla. Kaksosen käytön käsite on lähtöisin NASA:n Apollo-ohjelmasta, jossa rakennettiin kaksi identtistä avaruusalusta. Insinöörit pystyivät peilaamaan ja simuloimaan avaruusaluksen olosuhteet operaation aikana, maan päälle jäänyttä alusta kutsuttiin kaksoseksi.

Nykyään nimellä digital twin tunnettu konsepti otettiin käyttöön vuonna 2002 Michael Grievesin toimesta. Aikaisempien tutkimuksien DT-määritelmät korostavat, että kukin järjestelmä koostuu kahdesta järjestelmästä: fyysisestä järjestelmästä sekä virtuaalisesta järjestelmästä, joka sisältää kaiken fyysistä
järjestelmää koskevan tiedon.

Esimerkiksi Siemens käyttää seuraavaa määritelmää:

”Digitaalinen kaksonen on fyysisen tuotteen tai prosessin virtuaalinen esitys, jota käytetään ymmärtämään ja ennustamaan fyysisen vastineen suorituskykyominaisuuksia. Digitaalisia kaksosia käytetään tuotteen koko elinkaaren ajan tuotteen ja tuotantojärjestelmän simulointiin, ennustamiseen ja optimointiin ennen fyysisiin prototyyppeihin ja omaisuuteen sijoittamista.”

Esimerkkejä digitaalisista kaksosista on jo käytössä teollisuudessa ja joillakin muilla aloilla. Ohjelmistot voivat olla laajoja tuotteen elinkaaren hallintapaketteja (PLM) tai erikoisohjelmistoja johonkin tiettyyn elinkaaren osa-alueeseen. Teknologian etuja ovat mm. alentuneet kustannukset, lyhyempi markkinoilletuloaika ja ennakoiva kunnossapito.

Aikaisemmissa tutkimuksissa teknologia, termi digital twin on luokiteltu seuraavasti:

Digitaalinen malli, olemassa olevan tai suunnitellun fyysisen objektin digitaalinen esitys, ei automaattista tiedonvaihtoa fyysisten ja digitaalisten esineiden välillä.
Digitaalinen varjo, automatisoitu yksisuuntainen tiedonkulku olemassa olevien fyysisten ja digitaalisten esineiden välillä.
Digitaalinen kaksonen, datavirta fyysisten ja digitaalisten kohteiden välillä on integroitu täysin molempiin suuntiin.

Itse toimin Digi-Salama-hankkeessa projektipäällikkönä ja teemavastaavana Digital Twin teemassa. Oma kokemukseni aiheen ympärillä ajoittuu noin vuodesta 2012 nykypäivään. Tuolloin, noin vajaa kymmenen vuotta sitten, tuhrasimme ja ähräsimme usemman kuukauden ja saimme aikaiseksi yhden ohjelmoitavaan, logiikkaan kytketyn pneumatiikkasylinterin ’twinin’, aika ei selvästikkään ollut kypsä vielä. Vuona 2016 yritimme uudelleen ja otimme muutamia DT-suunnittelutyökaluja käyttöön opetuksessa. Nyt onkin mielenkiintoista päästä kokeilemaan teknologiaa yhdessä yritysten kanssa. Hanke alkoi syksyllä teknologiakartoituksilla, joiden tavoitteena oli tutustua hankkeen teknologioihin pintaa syvemmältä. Syksyn aikana tutkin digital twin -teknologiaa kahden opiskelijaryhmän kanssa. Tavoittena oli tutkia mitä digitaalisella kaksosella tarkemmin tarkoitetaan, minkälaisia työkaluja on on markkinoilla sekä tehdä kaksi demoa valituilla työkaluilla.

Demo 1 – Kaivinkoneen DT pohjautuen 3DS-järjestelmään

Tavoitteena tässä demossa oli tutkia digital twin -teknologiaa, sen hyötyjä ja sovelluskohteita sekä valita yksi tuote, jolla tehdä demo. Tuotteeksi valikoitui 3DExperience.

Laitteiden digitaalinen testaus säästää merkittävästi resursseja, ja sen avulla tuotekehitykseen kuluu noin 30 prosenttia vähemmän aikaa ja testaukseen jopa 50 prosenttia vähemmän rahaa. Digital twinin synnyttämät hyödyt eivät kuitenkaan rajoitu vain tuotekehityksen alkupäähän, vaan konseptilla voidaan luoda uusia liiketoimintamahdollisuuksia tuotteen koko elinkaaren ajalle. Ympäristöstä riippuvan tuotekäyttäytymisen ennustaminen, laitehuollon tarpeen ennakoiminen, laitteen toiminnan takaaminen ja toteutuneen laitesuorituskyvyn käyttäminen tuotekehityksessä ovat vain joitakin esimerkkejä lisäarvosta, jota Digital Twin tuottaa sekä laitteen valmistajille että sen käyttäjille.

PLM-ympäristönä (product lifecycle management eli tuotteen elinkaaren hallinta) toimi siis Dassault Systèmesin tarjoama 3DEXPERIENCE-ohjelmistoalusta, jolla on mahdollista suorittaa suunnittelutyö sekä hallinnoida tuotteen tietoja ja simuloida tuotteen valmistuksen prosesseja. Virtuaaliseksi mallikappaleeksi valittiin kaivinkone, jonka mallinnetut osat saatiin RANDin edustajalta. Ennen nykyisen mallin saamista, ohjelmalla yritettiin mallintaa pientä robottia yksittäisistä osista lähtien. Tämä kuitenkin todettiin liian työlääksi ja hankalaksi aikatauluun ja osaamiseen nähden. Uuden kaivinkone mallin avulla ollaan tutustuttu 3DExperience:n toimintaan ja sen muihin ominaisuuksiin.

Yhteenvetona voidaan todeta 3DExperiencen olevan hyvä ohjelma virtuaalisen kaksosen luomiseksi monipuolisten ominaisuuksiensa vuoksi. Koulutuksella 3DExperiencen käyttäminen voi olla helppoa ja se voi tarjota monia eri palveluita.

Demo 2 – Sisäruokakorkeavaraston DT Siemens PLM-järjestelmällä

Tavoitteena tässä projektissa oli tutkia Digital Twin teknologiaa ja etsiä ohjelmistoja, joita käytetään ’twinien’ kanssa työskentelyyn. Ohjelmistoista valittiin yksi tarkempaan selvitykseen ja sitä testattiin oikeassa yrityscasessa, asiakkaana Little Garden Oy.

Ohjelmistoista tutkittiin NX MCD, Visual Components ja Process Simulator ohjelmistoja:

NX MCD, Mechatronic Concept Designer on tarkoitettu laitetason simulointiin ja se toimii Siemensi NX 3d-mallinnustyökalun päällä, mutta se toimii myös erillisenä ohjel-mana ilman NX:ää. MCD:ssä tyypillisesti otetaan staattinen 3d-malli laitteesta ja määritellään fyysisen maailman ominaisuudet kuten kinematiikat, painovoima ja kitkat. Malliin saadaan kytkettyä PLC-koodin oikeat I/O muuttuja, anturit ja muut sensorit ja näiden avulla pystytään tekemään virtuaalista käyttöönottoa.
Visual Components, Visual Components on suomalainen ohjelmisto, jota käytetään layout-suunnitteluun, visualisaatioon, animaatioiden tekoon, robottien etäohjelmointiin ja simulaa-tioon. Visual Componentsilla voidaan simuloida esimerkiksi tuotantolinjaa, teh-taita ja robottisoluja. Visual Components tekee yhteistyötä lukuisten robottival-mistajien kanssa ja heidän ohjelmistonsa kirjastossa on yli 40 robottimerkkiä.
Process Simulator, Process Simulator on saksalainen ohjelmisto, jossa visualisointi, analysointi ja optimointi tapahtuu Microsoft Visio ympäristössä.

Näistä NX MCD valittiin tarkemmin testattavaksi ja kohteeksi valikoitui sisäruokakorkeavarasto. Laitteiston prototyyppi sijaitsee Metropolian Myyrmäen kampuksella ns. Urban Farm Labissa. Laitteistolla valmistetaan salaatteja ja yrttejä, sen toiminnalisuuden kehittämiseksi siitä rakennettiin 3D-mekatronikkasimulaatiota. Projekti oli muutenkin hyödyllinen ja yritys valikoitui Digi-Salaman viralliseksi yrityscaseksi, jossa kehitetään robottimekanismia kasvatusalustojen liikutteluun.

Lopuksi

Tällä hetkellä on jo olemassa monia digitaalisia työkaluja, joita kutsutaan yleisesti DT-työkaluiksi. Tiukka DT määritelmä: digitaalinen kaksonen, fyysisten ja digitaalisten kohteiden väliset datavirrat on integroitu täysin molempiin suuntiin. Määritelmän mukaan suurin osa työkaluista on tällä hetkellä ns. digital model ja digital shadow -työkaluja. Jotta tavoitettaisiin ja pystyttäisiin suunnittelemaan todellinen Digital Twin, tekniikkaa on kehitettävä ja tutkittava edelleen. Onneksi seuraavaksi päästään tässä hankkeessa viiden digital twin
-projektin saattelemana asian ytimeen!