Il concetto di gemello digitale e come funziona

L'implementazione della cultura imperniata sui gemelli digitali, che include il software di gestione del ciclo di vita del prodotto reale e virtuale, riduce significativamente il tempo del ciclo di vita di progettazione, i test e migliora il rendimento. Questi miglioramenti produttivi si verificano con una ragionevole riduzione dei costi di manutenzione e del prodotto.

Allettante? Negli ultimi anni, le aziende hanno visto la migrazione dell'Impresa 4.0 e dell'Internet delle cose industriale (IIoT) verso i gemelli digitali. Questa strategia, insieme alle soluzioni di Siemens, fa un tutt'uno dei numerosi e tradizionali esempi isolati di eccellenza del XX in applicazioni coesive "tutto compreso" per la manutenzione predittiva, la pianificazione e l'ottimizzazione dei processi, la progettazione dei prodotti e la prototipazione virtuale.

Con questi benefici, i progetti di gemello digitale catturano l'attenzione di coloro che desiderano eliminare del tutto i guasti reali ma continuare ad accelerare l'eccellenza dei processi. Al centro del concetto di "gemelli digitali" vi è l'idea di un ponte in tempo reale tra il mondo reale e quello digitale.

Che cos'è un gemello digitale?

Il concetto di gemello digitale crea un modello virtuale altamente complesso di un oggetto fisico, dall'inizio alla fine della durata del prodotto. L'oggetto può essere la prossima generazione di un processo di produzione o di un prodotto, completo di pianificazione, progettazione, fase di costruzione, supporto e fine di vita dell'oggetto, ossia le cinque fasi principali di sviluppo. Il processo di gemello digitale collega l'intera operazione acquisendo i dati per prevedere il futuro con un software di simulazione (Figura 1).

Figura 1: Questo efficiente piano di produzione utilizza la tecnologia dei gemelli digitali per collegare tutte le operazioni dall'inizio alla fine. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Nella Figura 1, i monitor di processo usano i dati per prevedere il risultato finale dell'oggetto per l'utente finale. Il gemello digitale fa leva sull'implementazione di queste fasi e vede nella forza lavoro dell'azienda il suo più significativo vantaggio competitivo. La versione gemello digitale di Impresa 4.0 promette ai produttori di agevolare la produzione di prodotti appropriati per il mercato, attirando e mantenendo il nuovo talento tecnico della Generazione Z pronta ad affacciarsi sul mondo del lavoro.

Come funziona il gemello digitale?

I sensori collegati sulla risorsa fisica raccolgono dati e li mappano su un modello virtuale. Chiunque guardi il gemello digitale vede informazioni cruciali di progettazione, creazione e applicazione dell'oggetto fisico nel mondo reale. In questo modo, i gemelli digitali aiutano a capire il presente e a prevedere il futuro. In primo piano, la simulazione del processo determina il prodotto di gemello digitale (Figura 2).

Figura 2: I gemelli digitali aiutano a capire il presente e a prevedere il futuro. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

In secondo piano (Figura 2), l'automazione e la qualità del processo supportano i dati prestazionali durante la produzione del gemello digitale. A questo punto, è importante notare che la simulazione e la raccolta dei dati continuano. La produzione del prodotto reale avviene all'ultimo stadio, anche se le simulazioni precedenti prevedono le caratteristiche del prodotto reale in anticipo.

Uno dei pezzi più significativi del debito tecnico personale e software di un gemello digitale è l'eliminazione delle barriere (virtuali e reali) che creano i silos tra le varie competenze interne. Ad esempio, i dettagli di progettazione di un prodotto Impresa 3.0 sono praticamente inaccessibili al di fuori dell'ufficio tecnico. È difficile per i team di produzione, approvvigionamento, vendita e servizio svolgere il loro lavoro efficacemente e dare un parere agli altri gruppi per migliorare il prodotto e il processo. Ad esempio, i tecnici di officina non sanno come dovrebbe essere il prodotto risultante una volta completamente assemblato. I team di assistenza studiano i PDF virtuali per cercare di capire come riparare un pezzo che non hanno mai visto. I team di vendita vendono opzioni e i manager della supply chain conoscono solo i numeri dei pezzi. Non solo per ogni membro del team è difficile svolgere il proprio lavoro, ma significa anche che gli ingegneri non ottengono input critici per migliorare i progetti. Se le aziende possono rendere più accessibili i progetti, l'innovazione avverrà prima e la forza lavoro sarà più coinvolta nel processo.

Costruzione di un gemello digitale

La tecnologia dei gemelli digitali fornisce una visibilità senza precedenti su prodotti e risorse per trovare colli di bottiglia, ottimizzare le operazioni e innovare lo sviluppo dei prodotti. I tre gemelli digitali primari sono 1. la manutenzione predittiva, 2. la pianificazione e l'ottimizzazione dei processi e 3. la progettazione e la prototipazione virtuale del prodotto.

Manutenzione predittiva

Le aziende rilevano immediatamente le anomalie di funzionamento e le deviazioni nella visione della salute e delle prestazioni delle apparecchiature. La manutenzione programmata in modo proattivo e l'approvvigionamento dei pezzi di ricambio riducono il tempo di servizio ed evitano costosi guasti alle risorse. La manutenzione predittiva dei gemelli digitali fornisce nuovi flussi di reddito basati sui servizi, aiutando al contempo a migliorare l'affidabilità dei prodotti per gli OEM.

Pianificazione e ottimizzazione dei processi

Un'analisi completa degli indicatori chiave di prestazione (KPI) critici, come i tassi di produzione e il conteggio degli scarti, proviene da un'impronta digitale con sensori e dati ERP (sistema di pianificazione delle risorse aziendali). Questo processo diagnostica la causa principale delle inefficienze e delle perdite di produzione e tale diagnosi può ottimizzare il rendimento e ridurre gli sprechi. Inoltre, i dati storici delle apparecchiature, dei processi e degli ambienti migliorano la programmazione della produzione consentendo la previsione dei tempi di fermo.

Progettazione e prototipazione virtuale del prodotto

I modelli virtuali dei prodotti forniscono informazioni dettagliate sui modelli di utilizzo, i punti di deterioramento, la capacità del carico di lavoro, i difetti che si verificano, ecc. Capire le caratteristiche del prodotto e i modi di guasto permette ai progettisti e agli sviluppatori di valutare l'usabilità del prodotto e di migliorare la progettazione futura dei componenti. Allo stesso modo, gli OEM possono fornire offerte personalizzate a diversi gruppi di clienti in base a specifici comportamenti e contesti di implementazione del prodotto. La tecnologia dei gemelli digitali aiuta inoltre nello sviluppo di prototipi virtuali e nell'esecuzione di simulazioni robuste per testare le caratteristiche sulla base di dati empirici.

Casi d'uso nel mondo reale

Nel mondo reale, è fondamentale avere la capacità di testare prodotti, processi o strutture prima di passarli alla linea di produzione. I gemelli digitali assolvono questo scopo. In tutto il mondo, le aziende usano i gemelli digitali per migliorare i processi, le supply chain, la gestione delle strutture e molto altro. Ecco alcuni esempi dove la tecnologia gemello digitale ha saputo trasformare molti comparti industriali.

Imballaggio più intelligente dei pacchi con SIMATIC di Siemens

La tecnologia SIMATIC di Siemens è al centro di molte soluzioni nelle innovative macchine di confezionamento. Questi progetti mostrano come la tecnologia SIMATIC T-CPU aiuta le macchine a realizzare processi più semplici e snelli, una qualità migliore e prestazioni ottimali sotto ogni aspetto.

L'azienda TMG produce macchine di confezionamento per alimenti e bevande, cosmetici e prodotti chimici (Figura 3).

Figura 3: La macchina di confezionamento di TMG. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

In questo impianto, i sette azionamenti SINAMICS S120 e il cambio di formato richiedono pochissimo tempo. La rete PROFINET di Siemens integra la CPU SIMATIC S7-1500TF, i pannelli comfort, gli azionamenti S120 e G120 per sviluppare l'automazione, il controllo del movimento e la sicurezza in un unico ambiente tramite portale di automazione totale (TIA). Grazie a una soluzione integrata e versatile con SIMATIC S7-1500TF e le tecnologie di azionamento SINAMICS, TMG si distingue per l'efficienza di configurazione, le alte prestazioni e la semplicità di conversione dei nuovi formati.

L'intelligenza artificiale nel controllo del movimento (147)

I sistemi di movimentazione di Wittmann Battenfeld afferrano e inseriscono i pezzi per le macchine di stampaggio a iniezione e poi li reinseriscono in un'altra macchina. L'attrezzatura sposta e ruota liberamente l'oggetto corrispondente per dare al sistema capacità di manipolazione su cinque assi - tre per il movimento nello spazio e altri due per ruotare gli inserti in qualsiasi direzione. I sistemi di movimentazione aumentano la produttività completando questo compito complesso con tempi di ciclo rapidi, per un processo che diventa il più flessibile possibile. SIMATIC, la soluzione Siemens per l'automazione, mappa tutte le funzioni in un unico controller - controllo del movimento, riconoscimento delle immagini e automazione. Wittmann Battenfeld implementa questa funzione con l'aiuto dell'applicazione Handling Standard di Siemens, che supporta compiti di controllo del movimento e moduli di visualizzazione. Il pacchetto include anche una funzione di tracciamento in cui gli sviluppatori di Wittmann Battenfeld tracciano il movimento della pinza con un modello 3D.

Figura 4: Il controller SIMATIC comanda la pinza che afferra gli inserti sulla tavola vibrante. Il modulo IA elabora i dati della telecamera. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Considerazioni critiche per la distribuzione dei gemelli digitali

Il gemello digitale è il nuovo paradigma del modello di produzione del XX secolo. L'aspetto economico influisce sulla trasformazione della fabbrica al modello di gemello digitale. Tuttavia, si registra un ROI indiscusso sull'investimento nel gemello digitale con l'aumento dell'affidabilità dell'attrezzatura e della linea di produzione. La tecnologia dei gemelli digitali migliora l'efficacia complessiva dell'apparecchiatura (OEE) attraverso la riduzione dei tempi morti e il miglioramento della produttività e delle prestazioni. Il collegamento dei modelli virtuali alla realtà riduce il rischio in varie aree, tra cui la disponibilità del prodotto e la reputazione dell'azienda nel mercato.

Il gemello digitale è una rappresentazione virtuale del prodotto fisico così come è stato progettato, costruito e sottoposto a manutenzione nella produzione. Questa rappresentazione virtuale rispecchia i dati di processo in tempo reale e le analisi basate sul prodotto fisico, i sistemi di produzione o le configurazioni delle apparecchiature. Un ulteriore vantaggio è che il gemello digitale permette agli ingegneri di testare concetti e ipotesi prima di applicarli a una macchina fisica.

Il gemello digitale e l'imitazione digitale di Siemens fanno parte della rivoluzione dell'automazione industriale. Come ha influito il gemello digitale sul settore industriale? Questa imitazione digitale influenza continuamente le risorse fisiche, le operazioni e le strutture che producono dati. Il gemello digitale è al centro dello sviluppo dell'Impresa 4.0, che racchiude l'automazione, lo scambio di dati e i processi di produzione, creando infinite opportunità di crescita per vari settori industriali.

Riferimenti:

1. Video: Il pioniere dei gemelli digitali, 6 ottobre 2021, Una conversazione con il Dr. Michael Grieves, inventore del concetto di gemelli digitali.
2. TMG: più prestazioni, meno tempo (video), Siemens.
3. L'intelligenza artificiale nel controllo del movimento: un passo avanti della tecnologia, Siemens.