Sfruttare i gemelli digitali per la progettazione e la produzione tecnologica

I gemelli digitali forniscono agli ingegneri potenti simulazioni di progettazione, sandbox virtuali, previsioni olistiche delle prestazioni e routine di ottimizzazione. A seconda dell'applicazione, questa tecnica velocizza il lavoro di progettazione iterativa o aumenta le prestazioni operative al volo.

I gemelli digitali integrano la simulazione con l'apprendimento automatico e l'analisi dei dati per consentire agli ingegneri di testare, perfezionare e ottimizzare i progetti in due fasi fondamentali: prima che vengano realizzati fisicamente e (per i sistemi più sofisticati) una volta che sono in funzione per trarre vantaggio dall'ottimizzazione continua. In entrambe le fasi, i gemelli digitali possono migliorare significativamente la qualità della progettazione, i costi e persino la sicurezza e la cibersicurezza.

È sempre più comune che queste rappresentazioni virtuali, inclusi modelli connessi di componenti fisici, assemblaggi di prodotti, processi e sistemi, vengano aggiornate in tempo reale con dati analizzabili.

Figura 1: Il software di simulazione di prodotto Ansys Discovery 3D e i modelli NVIDIA Omniverse Blueprint (flussi di lavoro) consentono al CAE in tempo reale di generare gemelli digitali di flussi di lavoro su larga scala. (Immagine per gentile concessione di Ansys)

Al centro della funzione dei gemelli digitali, che riflettono i progetti del mondo fisico, ci sono sensori e dispositivi IoT che forniscono dati al software che a sua volta sviluppa il progetto nello spazio virtuale. In questo contesto, il cosiddetto edge computing è sempre più diffuso, con sensori che elaborano i dati raccolti sui sistemi fisici prima di trasmetterli alla controparte virtuale.

Figura 2: Le unità di misurazione inerziale (IMU) di Honeywell sono sensori intelligenti integrati che tracciano l'orientamento e il movimento dell'aeromobile per la modellazione dinamica del volo come gemello digitale. (Immagine per gentile concessione di Honeywell Aerospace)

Si considerino i gemelli digitali per le attività di progettazione di prodotti nel settore dell'elettronica. I modelli consentono un'indagine e una regolazione relativamente senza rischi delle prestazioni dei circuiti meccanici, delle potenziali modalità di interferenza elettromagnetica e del comportamento termico, senza la necessità di costosi prototipi fisici, il cui approvvigionamento e collaudo possono richiedere molto tempo. Questi e altri prodotti sviluppati utilizzando i gemelli digitali tendono a essere innovazioni che superano i requisiti del settore. I settori automotive, aerospaziale e della difesa sono quelli che hanno più da guadagnare da tali approcci progettuali, poiché qui anche piccole modifiche possono influire profondamente sulla funzionalità del progetto e sulla producibilità.

Video: Gli accelerometri piezoelettrici sono essenziali per includere il comportamento vibrazionale nei gemelli digitali di applicazioni industriali. Le comunicazioni IO-Link semplificano l'elaborazione dei dati di output dell'accelerometro. (Video per gentile concessione di Amphenol PCB Piezotronics)

Se estesi alla modellazione di fabbriche intelligenti e oltre, i gemelli digitali fungono sempre più da base per il metaverso industriale in senso più ampio. Questo regno digitale modella e collega interi macchinari, impianti industriali e supply chain per alimentare e distribuire le operazioni di produzione.

L'unico cavillo? Le esigenze di programmazione e di elaborazione e il consumo energetico per il mantenimento del metaverso industriale sono notevoli. Dopotutto, l'utilizzo di questo metaverso richiede:

• Internet ultraveloce e processori ad alte prestazioni, soprattutto quando le impostazioni di realtà virtuale 3D ad alta intensità grafica fanno parte del sistema
• Assimilazione in tempo reale di dati di sensori spesso in grandi quantità
• Impianti di produzione virtuali e i loro innumerevoli oggetti digitali ospitati nei data center (per la funzionalità cloud) e in molti casi protetti dalla tecnologia blockchain
• Analisi basate sull'IA e reti neurali notoriamente energivore per le funzioni di apprendimento automatico

Laddove gli investimenti in approcci che sfruttano i gemelli digitali e il metaverso industriale sono giustificati, le aziende molto grandi tendono a fornire gli strumenti per supportarne l'utilizzo. Per contro, sono le piccole e medie imprese a trarre i maggiori benefici dal loro utilizzo. Ad esempio, gli ecosistemi software Siemens, Autodesk e Dassault Systèmes supportano la progettazione e l'uso di modelli virtuali olistici; gli strumenti di simulazione di Ansys e Altair Engineering (incluso il prodotto One Total Twin) consentono la modellazione di prodotti tenendo conto di parametri come le proprietà dei materiali e le prestazioni durante il ciclo di vita previsto.

Ulteriori letture: Come le PMI possono utilizzare un metaverso industriale per esplorare e implementare rapidamente soluzioni robotiche

Le applicazioni del metaverso industriale che stanno riscontrando la più rapida adozione sono quelle nei settori della logistica, della produzione, della sanità, dell'istruzione, dell'intrattenimento e della pianificazione urbana. Infatti, parte dell'uso del metaverso attribuito alla produzione è in realtà correlato al miglioramento delle supply chain, in particolare per i programmi volti ad aumentare l'efficienza e la visibilità dei trasporti.

Tuttavia, gli utilizzi manifatturieri del metaverso industriale sono in aumento, soprattutto per quanto riguarda la riduzione dei colli di bottiglia, nei programmi di ottimizzazione dei processi, controllo di qualità e manutenzione predittiva.