I gemelli digitali entrano nell’industria

Le repliche virtuali di dispositivi, macchine o impianti possono essere impiegate per eseguire simulazioni approfondite prima della realizzazione fisica. Questo utile abbinamento consente di risolvere problemi di progettazione e funzionamento, ma non solo

di Valerio Alessandroni

Il gemello digitale (Digital Twin) è una replica digitale in tempo reale di un prodotto, un processo o un sistema, che può essere utilizzata per operazioni di test, diagnostica e analisi ancor prima di creare fisicamente l’oggetto rappresentato. I gemelli digitali combinano quindi tecniche di analisi dei dati, intelligenza artificiale, apprendimento automatico e simulazione, e sono comunemente utilizzati per la modellazione di sistemi Internet of Things (IoT) e di gestione del ciclo di vita del prodotto (PLM). D’altra parte, la quantità dei dati raccolti dai sensori presenti in una macchina o un impianto industriale è enorme, tanto che si parla di Big Data, ma se tali dati non vengono aggregati e organizzati in modo da favorire il processo decisionale (diventado quindi informazioni) la loro utilità è nulla. L’abbinamento dei mondi fisico e virtuale è molto utile, permettendo di risolvere tramite simulazioni i problemi di progettazione o funzionamento, prevenire i tempi di fermo macchina o impianto e pianificare meglio il ciclo di vita del prodotto. Il concetto di gemello digitale non è nuovo ma, sotto l’ombrello di Industria 4.0, sta emergendo con nuovo vigore. Per la cronaca, il concetto dei Digital Twin è stato introdotto per la prima volta e chiaramente definito da Michael Grieves nel 2003, durante una conferenza presso l’Università del Michigan. Tuttavia, all’epoca era difficile e costoso implementare il concetto e renderlo disponibile per uso generale. La situazione è cambiata da una decina di anni, con lo sviluppo dell’IoT, dell’intelligenza artificiale, dei Big Data e del cloud computing.

Integrare sensori per raccogliere tutti i vari dati in tempo reale
Per ottenere un Digital Twin, occorre in primo luogo integrare negli oggetti interessati dei sensori per raccogliere in tempo reale dati sul loro stato, sulle condizioni di funzionamento, sulla posizione fisica e così via.
Questa, appunto, è la connessione con l’Internet of Things.
Gli oggetti “intelligenti” sono quindi collegati a un sistema basato su cloud che riceve ed elabora tutti i dati, permettendo di eseguire analisi in base alle specifiche esigenze o in base ad altri dati, per esempio dati storici.
In questo modo, nell’ambiente virtuale si possono trarre delle conclusioni o scoprire e analizzare delle opportunità successivamente applicabili al “gemello” fisico. Per esempio, sarà possibile modificare un progetto per evitare delle criticità individuate sul “gemello” virtuale, oppure si potranno ottimizzare determinate attività di produzione avendone simulato i risultati.
Il gemello digitale consente inoltre di realizzare una situazione manutentiva ideale, dove un tecnico in loco e uno specialista remoto, collegati via internet, possono accedere agli stessi dati e discutere il da farsi.

Il prototipo virtuale è aggiornato a ogni cambiamento del gemello
È interessante osservare che il prototipo virtuale di un oggetto è “vivo” e dinamico, il che significa che viene aggiornato ogni volta che il suo gemello fisico subisce cambiamenti. È anche in grado di apprendere, assorbendo le conoscenze delle persone, delle macchine e dell’ambiente in cui esiste. Più in dettaglio, il modello dei Digital Twin definito da Grieves consiste di tre parti principali: prodotti fisici nello spazio reale, prodotti virtuali nello spazio virtuale e dati connessi che legano fra loro i prodotti fisici e virtuali.
I gemelli digitali devono infine soddisfare tre requisiti: avere un aspetto identico all’oggetto originale, compresi tutti i dettagli minori; comportarsi allo stesso modo dell’oggetto originale durante i test; essere in grado di analizzare le informazioni sull’oggetto originale, prevedere possibili problemi e suggerire soluzioni.

Tre tipologie di Digital Twin
I cosiddetti Product Twin sono modelli di specifici prodotti, utilizzati prima di impostare una linea di produzione per analizzarne il comportamento in condizioni diverse e i problemi che potrebbero verificarsi. Di conseguenza, i gemelli digitali di prodotto aiutano a ridurre le spese di produzione e il time-to-market, migliorando la qualità. In seguito, i gemelli di prodotto possono essere utilizzati per controllare le prestazioni del prodotto nel mondo fisico. I Process Twin simulano invece i processi di produzione. Un processo di produzione virtuale permette di creare diversi scenari e mostrare cosa accadrà in diverse situazioni, consentendo di sviluppare la metodologia di produzione più efficiente. Il processo può essere ulteriormente ottimizzato con l’aiuto di gemelli di prodotto per ogni apparecchiatura coinvolta, permettendo di eseguire una manutenzione preventiva ed evitare costosi tempi di fermo impianto.
Le operazioni di produzione saranno più sicure, veloci ed efficienti. I System Twin, infine, sono modelli virtuali dell’intero sistema, come un impianto o una fabbrica.
Raccolgono enormi quantità di dati operativi prodotti all’interno del sistema, acquisiscono informazioni e creano nuove opportunità di business per ottimizzare tutti i processi. Ma vediamo qualche esempio reale.

Dallo spazio fino alle costruzioni
Ponendosi l’obiettivo di utilizzare, mantenere o riparare dei sistemi non accessibili fisicamente, la NASA è stata tra i primi a provare una tecnologia di simulazione simile a quella che oggi chiamiamo dei Digital Twin, fin dai primi giorni dell’esplorazione spaziale.
E quando il disastro ha colpito Apollo 13, è stata questa tecnologia a salvare la missione, utilizzando sistemi virtuali sulla Terra. Oggi, i gemelli digitali possono essere utilizzati non solo in campo spaziale, ma anche nella produzione, nel settore dell’energia, nei trasporti e nelle costruzioni.
Oggetti complessi come motori di aerei, treni, piattaforme offshore e turbine possono essere progettati e testati in modo digitale prima di essere prodotti fisicamente. Un esempio molto significativo è quello che, a Milano, si può considerare uno spartiacque nel campo della progettazione, della manutenzione e della gestione di immobili e opere civili: la copia digitale dinamica della stazione Centrale di Milano che è stata realizzata utilizzando circa 6.000 fotografie. Grazie alla tecnologia Digital Twin diventa più facile interagire con l’immobile per gli scopi più differenti: testare nuove soluzioni architettoniche o verificare piani di sicurezza, pianificare ed effettuare ispezioni agli impianti, o archiviare le informazioni necessarie alla gestione e manutenzione dei singoli componenti.

Altri interessanti esempi applicativi
Anche nel campo del legno i gemelli digitali di macchine e utensili basati su Cloud si stanno rivelando utilissimi per processi di lavorazione più efficienti, la veloce preparazione degli ordini e la documentazione del ciclo di vita delle macchine. Un ultimo esempio: un leader mondiale nella progettazione e produzione di pompe e sistemi sta ampliando l’utilizzo del software di simulazione ANSYS per sfruttare la potenza dell’Internet of Things, e creare una versione digitale dei suoi prodotti. L’azienda utilizzerà i Digital Twin per offrire ai propri clienti qualità e prestazioni di prodotto potenziate, maggiore capacità di sviluppo, manutenzione ottimizzata e riduzione dei costi e dei rischi associati ai tempi di inattività non pianificati.
Sarà inoltre possibile analizzare le prestazioni dei prodotti in condizioni operative reali, e sulla base di questi dati prevedere le performance future.

Di pari passo con Industria 4.0
In conclusione, il modo di fare impresa e soprattutto le modalità di progettazione, produzione e gestione dei prodotti realizzati stanno cambiando in modo sostanziale, grazie al supporto delle tecnologie che fanno capo alla digitalizzazione e a Industria 4.0. Il mondo fisico si traspone in un mondo composto da gemelli digitali che, attraverso la modellazione e i big data, permettono di capire quali siano le aree (prodotto, processo, supply chain, modello di business) su cui intervenire per migliorare l’efficienza funzionale e operativa. Industria 4.0 e Digital Twin sono quindi due espressioni destinate ad andare di pari passo, per stabilire continuità tra la progettazione e la produzione.