Letteralmente Digital Twin significa Gemello Digitale. Nell’idea del Digital Twin, il sistema reale viene dotato di una serie di sensori in grado di valutare determinati parametri durante il funzionamento del sistema stesso. Dopodiché il modello numerico viene costruito per riuscire a simulare quegli stessi parametri; una volta ottenuta una buona coerenza tra la stima numerica e la realtà, è possibile far “lavorare” i due sistemi in coppia.
L’avvento di Internet ha sin da subito introdotto dei cambiamenti nella vita quotidiana delle persone. Basti pensare alle possibilità di comunicazione disponibili oggi, rispetto al passato. I primi siti creati per l’aggregazione e la comunicazione erano dei semplici forum, siti web in cui discutere di argomenti specifici, scambiare contenuti multimediali e così via. Al giorno d’oggi, invece, si ha a disposizione la messaggistica istantanea e i social network. Evoluzioni e tecnologie che si sono via via sempre più radicate nella propria quotidianità, creando così una realtà a due livelli: una fisica e l’altra virtuale. Infatti, praticamente tutti i siti internet richiedono la registrazione del proprio profilo personale e, talvolta, la creazione di un avatar. Un avatar è a tutti gli effetti un soggetto virtuale rappresentativo della propria persona, in quel determinato contesto. Un avatar può raffigurare perfettamente la persona stessa, oppure può essere creato come personaggio di fantasia. Per quanto esso possa essere vicino o meno alla realtà, ogni avatar racchiude in sé i gusti e la personalità della persona che rappresenta. In sostanza, noi stessi creiamo il nostro rappresentante virtuale.
Questo discorso può essere riformulato cambiando costantemente punto di vista. Infatti, l’ultimo decennio ha visto il mondo industriale fortemente interessato agli strumenti di virtualizzazione. Si pensi ad esempio alle workstation virtuali, in cui basta un qualunque personal computer e un app desktop (un software) per collegarsi al sistema centrale della propria azienda e avere immediatamente a disposizione tutti gli strumenti necessari allo svolgimento del proprio lavoro. La virtualizzazione delle workstation snellisce e rende più efficiente la gestione delle risorse informatiche aziendali, con il conseguente risparmio di risorse. Tuttavia, questo non è l’unico esempio a cui far riferimento per descrivere vantaggi e potenzialità della virtualizzazione. Il concetto dell’Industria 4.0 si basa proprio sulle tecnologie e infrastrutture in grado di mettere in interconnessione stretta tuto il sistema aziendale, dall’ufficio tecnico al reparto produttivo, con una connessione diretta verso ciascun macchinario. In questo modo la gestione della produzione e delle risorse avviene in modo centralizzato, controllato in modo continuo e può essere facilmente modificato senza incorrere in costi per mancata produzione, o per lo meno riducendoli notevolmente.
Questi due esempi sono rappresentativi degli enormi vantaggi derivanti dall’adozione di strumenti e infrastrutture per la virtualizzazione. Risulta quindi interessante cambiare nuovamente punto di vista, vedendo come la virtualizzazione ha portato e introdurrà notevoli cambiamenti e innovazioni nella progettazione di un prodotto.
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La progettazione virtuale
Ad oggi sarebbe impensabile realizzare un intero progetto a mano, servendosi solamente di carta, matita e tecnigrafo. Infatti, l’introduzione dei sistemi informatici all’interno degli uffici tecnici e lo sviluppo di software CAD hanno permesso alla progettazione di portarsi ad un livello superiore, perché resa più efficiente e flessibile. La digitalizzazione del concept di un prodotto e la sua rappresentazione tridimensionale permettono al progettista di effettuare una lunga serie di valutazioni, altrimenti molto difficili se basati su un disegno su carta. Ad esempio, è possibile verificare l’aspetto finale del componente e verificare che rispetti le caratteristiche geometriche e di ingombro previste dal progetto. Questo non solo limitatamente a se stesso, ma anche in relazione agli altri componenti di uno stesso sistema. Infatti, attraverso i software CAD è possibile “assemblare” i diversi componenti e arrivare così al prodotto finito.
Successivamente è sorta la necessità, o meglio si è presentata l’opportunità, di simulare il comportamento del prodotto una volta posto in esercizio. Stimare queste informazioni è utile in quanto aiuta i progettisti a comprendere quali possano essere le azioni correttive da adottare, prima ancora di realizzare il prodotto e immetterlo sul mercato. Questo è stato reso possibile grazie allo sviluppo di sistemi per la simulazione numerica, che si propone come alternativa alla realizzazione di prototipi, tipicamente molto costosi e con tempi di feedback (cioè tempi di test e raccolta risultati) abbastanza lunghi.
I software di simulazione numerica permettono di, appunto, simulare specifici test sul componente (oppure imporre le condizioni effettive di esercizio) come se fosse realmente stato realizzato e messo in opera. Prevedendo in questo modo le criticità che potrebbero sorgere, per adottare di conseguenza le azioni correttive necessarie, ancor prima di investire risorse per la realizzazione di prototipi o, peggio, dover ritirare il prodotto dal mercato. Questa idea incontra perfettamente quanto detto inizialmente, un modello di questo tipo è a tutti gli effetti l’avatar del prodotto reale, in grado di comportarsi allo stesso modo e che ne racchiude tutte le caratteristiche. I tipi di simulazioni possibili sono sia strutturali, che termiche, fluidodinamiche, ecc… Questo significa che si può simulare sia il prodotto in sé, sia la sua risposta all’ambiente in cui andrà ad operare.
Anche se già disponibili da tempo, solo negli ultimi anni il mondo industriale ha iniziato a introdurre questi sistemi di simulazione nel proprio processo di progettazione. È effettivamente uno strumento difficile e necessita di personale qualificato per utilizzarlo in maniera corretta. Ciononostante, i vantaggi introdotti da questi strumenti supera di gran lunga l’onere dell’investimento. Proseguendo con questo articolo vedremo come i diversi strumenti di simulazione e progettazione siano in via di evoluzione continua, raggiungendo un livello di integrazione e sinergia con l’infrastruttura aziendale quasi completo. In questo modo è possibile adottare una strategia per il miglioramento continuo del proprio parco prodotti.
Sensoristica per il controllo
L’industria 4.0 propone il concetto di industria intelligente, attraverso una stretta interconnessione tra ufficio tecnico e reparto produttivo. Sia la gestione della produzione, che i parametri di processo possono essere modificati per meglio adattarsi ai diversi prodotti da realizzare. Concettualmente si incontra perfettamente con l’idea della produzione flessibile. Tuttavia, è necessario che le macchine di produzione siano progettare e costruite in modo da permettere il collegamento con l’infrastruttura aziendale e permettere un controllo attivo del processo. Questo obiettivo viene raggiunto attraverso l’installazione di sensoristica, in grado di rilevare i diversi parametri di lavorazione, fornendo un feedback (cioè informazioni sullo stato di lavorazione) in tempo reale. Ad esempio, tramite questi sistemi è possibile controllare online che la qualità del prodotto finito sia mantenuta entro i limiti prestabiliti. Qualora sorgessero eventuali errori, è possibile intervenire immediatamente e risolvere prontamente il problema. Il sempre maggior controllo sulla produzione comporta sicuramente minori scarti di processo e una gestione efficiente dei prodotti da lavorare.
La sensoristica è anche adottata su prodotti, come ad esempio gli aerei, le automobili, o più “semplicemente” gli smartphone. Attraverso i sensori è possibile dare all’utente il controllo del sistema, ad esempio lo schermo touch degli smartphone, oppure acquisire informazioni sul funzionamento del sistema stesso, quali ad esempio la velocità dell’auto. Attraverso queste informazioni l’utente è in grado di capire e decidere se e come regolare il funzionamento del sistema. Lo stesso tipo di approccio può essere ugualmente adottato per i sistemi produttivi, adottando la medesima struttura concettuale.
Quello che è facile capire da questo discorso è che al fine di avere controllo su un sistema, è necessario avere degli strumenti che ci permettano di applicare le modifiche richieste e dei sistemi in grado di misurarne la risposta. Con la lettura dei parametri di funzionamento il progettista, il tecnico o il perito sono in grado di capire lo stato di funzionamento della macchina. Perché non fare allora un passo successivo e portare la digitalizzazione ad un livello superiore… pensando a come la possibilità di ricevere feedback, informazioni, di funzionamento da un prodotto possa aiutare il progettista a comprenderlo e migliorarlo costantemente.
Digital Twin, il gemello virtuale
Mettendo insieme i due macro-argomenti presentati in questo articolo, si ottiene il concetto base denominato Digital Twin. Letteralmente Digital Twin significa Gemello Virtuale. E di fatti quello che andiamo a presentare è a tutti gli effetti il gemello digitale, di un sistema reale. Per sistemi complessi, quali ad esempio un aereo o un’automobile, il modello di simulazione numerica è molto spesso abbastanza approssimato, nel senso che è in grado di valutare solo alcuni aspetti funzionali alla volta. Tuttavia, nell’idea del Digital Twin, il sistema reale viene dotato di una serie di sensori in grado di valutare determinati parametri durante il funzionamento del sistema stesso. Dopodiché il modello numerico viene costruito per riuscire a simulare quegli stessi parametri, una volta ottenuta una buona coerenza tra la stima numerica e la realtà, è possibile far “lavorare” i due sistemi in coppia. In questo modo si ha anche la possibilità di rendere sempre più accurato il modello numerico rispetto alla realtà, avendo dei parametri di riferimento che devono essere rispettati.
Che senso può avere spendere tempo e risorse per costruire un sistema in grado di dare le info già note perché misurate sul componente reale? Perché investire in questo tipo di sistemi? Quale scopo può avere? La simulazione numerica è uno strumento molto potente non solo perché è in grado di stimare la condizione attuale del sistema sotto analisi, ma soprattutto perché in grado di prevedere il comportamento futuro del sistema stesso.
Il sistema lavora sotto determinate condizioni, e i diversi parametri di funzionamento, nonché la risposta del sistema, vengono misurati e trasmessi al computer centrale. Questi dati vengono letti e inseriti nel modello virtuale, viene avviata una simulazione numerica stimando il comportamento completo del sistema. Da questo punto, rilevate le eventuali criticità sorte sotto queste determinate condizioni, è possibile prevedere cosa succederà e anche in quanto tempo potrebbe accadere qualcosa. Così facendo è possibile raggiungere un duplice obiettivo: il primo consiste nel poter introdurre nel sistema di gestione aziendale un programma di intervento sul prodotto basato sul concetto di manutenzione preventiva, ovvero capace di stimare i guasti prima che accadano. La manutenzione predittiva è stata riconosciuta come ottimo strumento per limitare sia il danno che il costo subito dall’azienda a causa di un guasto. Il secondo, ma non meno importante, obiettivo consiste nella possibilità per i progettisti di comprendere a fondo gli elementi critici del sistema, guidando così la progettazione dei futuri modelli verso un miglioramento continuo. Entrambi gli obiettivi hanno il vantaggio di generare un valore aggiunto per l’azienda.
Un mare di opportunità
Il concetto dello Digital Twin non è nulla di diverso, come detto, rispetto al proprio avatar utilizzato nei forum o nei social network. Esso è una rappresentazione virtuale di un prodotto o sistema fisico, che è in grado di valutare le performance dello stesso. In più, il Digital Twin è in grado di predire il futuro comportamento del sistema. L’introduzione di questi strumenti nella propria azienda richiede un adeguamento sia del processo di progettazione che dell’infrastruttura aziendale, in modo da coincidere con i nuovi paradigmi della tecnica industriale. Chiaramente l’adeguarsi richiede degli investimenti iniziali di un certo tipo, ma che verranno poi ripagati attraverso tutti i vantaggi relativi ad una miglior gestione delle risorse e, nel caso in cui attraverso il Digital Twin venga adottato anche per il miglioramento continuo del proprio parco prodotti, il mercato non potrà far altro che valutare in modo molto positivo la nuova gamma di prodotti proposti dalla propria azienda. Perciò, diamo un avatar ai nostri prodotti!
