Im Kontext von Industrie 4.0 gewinnt die digitale Abbildung von Fabriken und Produktionsanlagen – etwa als Digitaler Zwilling – immer mehr an Bedeutung. Um diese für Planung, Simulation, Überwachung,Training oder Entscheidungsunterstützung nutzbar zu machen, eröffnen dynamische 3D-Visualisierungen mit der Unreal Engine vollkommen neue Perspektiven. Durch die Verbindung mit der Verwaltungsschale (AAS) als standardisierter Informationsquelle lassen sich komplexe Produktionsprozesse unmittelbar erfahrbar machen, dynamische Abläufe in Echtzeit darstellen und ein intuitives Verständnis für Zusammenhänge schaffen, die in klassischen Dashboards oder 2D-Darstellungen kaum zu erfassen sind.
Die Umsetzung solcher 3D-Visualisierungen bringt jedoch erhebliche Herausforderungen mit sich. Jedes Asset, sei es eine Maschine, ein Roboterarm oder ein Transportsystem, muss nicht nur geometrisch korrekt modelliert werden, sondern auch richtig konfiguriert und integriert sein. So müssen etwa Informationen hinsichtlich Achsen, Freiheitsgraden oder Verbindungspunkten von Roboterarmen bereitgestellt werden. Zusätzlich müssen diese 3D-Modelle mit realen Datenquellen für eine wirklichkeitsnahe Repräsentation integriert werden. Für viele Unternehmen wird dies schnell aufwendig, da unterschiedliche Systeme und Datenquellen integriert werden müssen, um ein konsistentes und realistisches Abbild der Fabrik zu erzeugen.
Hier kann die Verwaltungsschale (Asset Administration Shell, AAS) als standardisierte digitale Repräsentation von Assets große Mehrwerte schaffen. Sie ermöglicht die zentrale Speicherung sowohl der Konfigurationsinformationen als auch der aktuellen Zustandsdaten eines Assets. In Verbindung mit modernen Game Engines wie Unreal Engine lassen sich diese Informationen direkt nutzen: Die Verwaltungsschale liefert die Parameter, um 3D-Modelle korrekt zu positionieren und zu konfigurieren, und versorgt die Visualisierung in Echtzeit mit den aktuellen Zuständen der Maschinen. Am Beispiel von Robotern können so Position, Achsrotationen und Bewegungen unmittelbar aus der AAS abgeleitet und in der virtuellen Fabrik korrekt dargestellt werden.
Co-Autor
Illia Dmitriiev unterstützte die Abteilung »Digital Twin Engineering« im Rahmen eines Praktikums bei der Umsetzung der 3D-Umgebung in Unreal und der Anbindung der bestehenden Roboteranlage an die Simulation.
Durch diese Verbindung von standardisierter Asset-Information und leistungsfähiger 3D-Visualisierung lassen sich nicht nur realistische Simulationen erzeugen, sondern auch Effizienzgewinne bei Inbetriebnahme, Schulung und Prozessüberwachung erzielen. Dadurch entsteht ein Ansatz, der die Lücke zwischen digitalen Zwillingen und interaktiven Fabrikumgebungen schließt.
Damit diese Mehrwerte aber tatsächlich greifbar werden, muss der Aufbau der 3D-Visualisierung in der Unreal Engine ohne manuelle Eingriffe basierend auf nur den Informationen der Verwaltungsschale möglich sein. Es muss also möglich sein, ein Unreal-Programm mit beliebigen AAS-Infrastrukturen so zu integrieren, dass beim Hinzufügen von neuen Assets die 3D-Visualisierung automatisch mit neuen 3D-Modellen ausgestattet wird und deren Integration mit den echten Assets ohne manuelle Aufwände stattfindet.
Aufbau der dynamische 3D Visualisierungen mit Unreal
Die Grundlage für eine realistische und dynamische 3D-Visualisierung von Fabrikassets bildet eine präzise Beschreibung ihrer Konfiguration. In unserem Ansatz werden die Asset-Parameter wie die Anzahl der Achsen eines Roboters, deren Rotation und die Position im Raum über Teilmodelle innerhalb der Verwaltungsschale definiert. Diese Teilmodelle enthalten alle relevanten Informationen, um ein Asset semantisch korrekt abzubilden und die spätere Interaktion in der 3D-Umgebung zu ermöglichen.
Auf Basis dieser Konfigurationsinformationen werden vorkonfigurierte 3D-Templates ausgewählt und angepasst. Dabei erfolgt die Identifikation der Templates anhand der Asset-Klassen wie „5-Achs-Roboter“ oder „6-Achs-Roboter“. Die Templates werden automatisch in der virtuellen Fabrikumgebung positioniert und auf die spezifische Achsanzahl, Orientierung und räumliche Lage des jeweiligen Assets angepasst. So entsteht eine initial konsistente 3D-Abbildung der Produktionsumgebung, die die realen Gegebenheiten widerspiegelt.
Im nächsten Schritt erfolgt die Verknüpfung mit den dynamischen Daten aus der Asset Administration Shell. Diese Live-Daten umfassen insbesondere Achsrotationen, Bewegungszustände oder Positionen, die für die realistische Darstellung der Roboterbewegungen entscheidend sind. Die Visualisierung kann dabei direkt auf die Daten der AAS zugreifen oder auf externe, über die AAS referenzierte Systeme wie MQTT-Broker oder OPC UA-Server zurückgreifen, um die aktuellen Zustände in Echtzeit zu beziehen. Durch diese Integration werden die statischen 3D-Modelle zu dynamischen, interaktiven Repräsentationen der physischen Assets, die sowohl in Simulationen als auch in Echtzeitüberwachungen eingesetzt werden können. Die resultierende Gesamtarchitektur ist in Abbildung 1 dargestellt.
Konkretes Beispiel anhand eines UR5e-Roboters
Zur Veranschaulichung des beschriebenen Ansatzes wurde er mit einem UR5e-Roboter umgesetzt. Die daraus resultierende Implementierungsarchitektur ist in Abbildung 2 dargestellt.
Der Roboter stellt Live-Daten zu den Achsenrotationen über Modbus/TCP bereit. Zusätzlich stellt UR eine Simulation des Roboters bereit, der die gleiche Modbus/TCP-Schnittstelle zur Verfügung stellt. Diese Daten bilden die Grundlage für die dynamische Visualisierung der Bewegungen in der 3D-Umgebung. Für die Integration dieser Daten mit der Verwaltungsschale kommen etablierte Integrationswerkzeuge wie Node-RED oder die Eclipse BaSyx DataBridge zum Einsatz. Beide Ansätze ermöglichen es, die zyklisch anfallenden Modbus-Daten auszulesen, zu transformieren und strukturiert weiterzuverarbeiten.
Die integrierten Achsrotationen werden anschließend in Teilmodellen der Verwaltungsschale abgelegt. Jedes Teilmodell beschreibt dabei einen klar abgegrenzten Aspekt des Assets, etwa die aktuelle Gelenkstellung oder die räumliche Referenz des Roboters (siehe Abbildung 3). Dadurch werden die Live-Daten semantisch eindeutig eingeordnet und standardkonform zugreifbar gemacht. Aus Gründen der Einfachheit wurden die Live-Daten direkt in einem Teilmodell abgelegt. Für großflächige Deployments mit hohen Update-Frequenzen sind aber ggf. andere Ansätze empfehlenswert, wie beispielsweise die Referenzierung eines Event-Brokers oder eines OPC UA-Endpunkts, der diese Daten bereitstellt. Genauere Details dazu können dem Whitepaper „Guidelines and best practices for implementing backend integration in real-world scenarios for AAS provisioning“ der Plattform Industrie 4.0 entnommen werden.
Die Verwaltungsschale selbst wird über Eclipse BaSyx gehostet. Eclipse BaSyx ist ein Open-Source-Framework zur Umsetzung der Asset Administration Shell gemäß den Spezifikationen der IDTA. Es stellt Laufzeitkomponenten, APIs und Infrastrukturbausteine bereit, um Verwaltungsschalen zu modellieren, zu persistieren und über standardisierte Schnittstellen bereitzustellen. Damit bildet Eclipse BaSyx die technische Basis, um sowohl statische Konfigurationsdaten als auch dynamische Zustandsdaten eines Assets konsistent zu verwalten und anderen Systemen zugänglich zu machen.
Auf Seiten der Visualisierung ist die Unreal Engine so konfiguriert (siehe Abbildung 4), dass sie die Roboter-3D-Modelle automatisch instanziiert und mit den jeweiligen Teilmodellen der Verwaltungsschale verknüpft. Anhand der im Teilmodell hinterlegten Konfigurationsinformationen wird der UR5e-Roboter korrekt im Raum positioniert. Die Achsrotationen werden anschließend periodisch aus den Teilmodellen abgefragt und auf die Gelenke des 3D-Modells übertragen, wie in Abbildung 5 dargestellt.
Auf diese Weise entsteht eine durchgängig integrierte Lösung, bei der reale Bewegungsdaten des UR5e-Roboters nahezu in Echtzeit in der Unreal-basierten 3D-Visualisierung sichtbar werden. Die Verwaltungsschale fungiert dabei als zentrales Bindeglied zwischen physischem Asset, Datenintegration und virtueller Darstellung.
Effizienzsprung im Digital Engineering: Automatisierte 3D-Zwillinge statt manueller Modellierung
Die Kombination aus Unreal Engine und der Verwaltungsschale als zentrale Informationsquelle eröffnet einen leistungsfähigen Ansatz zur dynamischen 3D-Visualisierung von Fabrikassets. Durch die Nutzung standardisierter Teilmodelle lassen sich sowohl statische Konfigurationsinformationen als auch dynamische Zustandsdaten konsistent erfassen und direkt für die visuelle Darstellung nutzen. Am Beispiel des UR5e-Roboters wurde gezeigt, wie reale Bewegungsdaten über bestehende Industrieschnittstellen integriert und nahezu in Echtzeit in einer virtuellen Fabrikumgebung visualisiert werden können.
Ein wesentlicher Erfolgsfaktor dieses Ansatzes ist die klare Trennung zwischen generischen 3D-Templates und asset-spezifischen Konfigurations- und Zustandsdaten. Für unterschiedliche Asset-Klassen müssen dabei jeweils passende 3D-Modell-Templates definiert werden, etwa für AGVs, Transportbänder, Werkzeugmaschinen oder andere Produktionsmittel. Die Verwaltungsschale liefert die notwendigen Metadaten, um diese Templates automatisch auszuwählen, zu konfigurieren und mit Live-Daten zu verbinden.
Damit entsteht eine skalierbare Architektur, die sich schrittweise auf weitere Asset-Typen und Use Cases erweitern lässt. Die Verwaltungsschale fungiert als stabiler, standardisierter Ankerpunkt zwischen OT, IT und 3D-Visualisierung und reduziert den Integrationsaufwand erheblich. Insgesamt zeigt sich, dass dieser Ansatz nicht nur für Demonstratoren oder Visualisierungslösungen geeignet ist, sondern eine tragfähige Grundlage für digitale Zwillinge, virtuelle Inbetriebnahmen unad datengetriebene Fabrikumgebungen darstellt.
Gemeinsam die Brücke zwischen OT und IT bauen
Die Integration der Verwaltungsschale in moderne Visualisierungsumgebungen bietet enorme Potenziale für die industrielle Praxis, bringt aber auch spezifische architektonische Fragen mit sich. Stehen Sie vor der Herausforderung, Ihre Assets digital abzubilden oder eine skalierbare 3D-Infrastruktur aufzubauen?
Lassen Sie uns ins Gespräch kommen – wir unterstützen Sie gerne bei der Konzeption Ihrer individuellen AAS-Strategie oder begleiten Sie beim Aufbau Ihrer digitalen Zwillinge. Kontaktieren Sie uns!