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Digital Twin: la nuova era dell’Industria 4.0 che segue in parallelo tutto il ciclo di vita fisico del prodotto

Digital Twin è un concetto conosciuto ormai da qualche tempo e può essere definito come un modello virtuale o digitale della macchina fisica o dell’impianto che consente di analizzarne il comportamento con finalità predittive o di ottimizzazione.

Industria 4.0 e Digital Twin sono due espressioni destinate ad andare di pari passo, per stabilire continuità tra la progettazione e la produzione: è l’epoca del digitale, della connettività pervasiva, dell’Internet delle cose (IoT), dell’intelligenza artificiale, dei robot e dei big data.

Digital Twin: cos’è?

Il Digital Twin, tradotto anche come “gemello digitale”, è una copia virtuale di un servizio o un prodotto reale creata per effettuare dei test che permettono di migliorare le funzionalità e prevenire eventuali errori di progettazione. Alla sua base c’è sia la disponibilità di software particolarmente sofisticati, sia la capacità di raccogliere e processare grandi quantità di dati attraverso i sensori presenti all’interno delle macchine. Grazie a ciò è possibile anche analizzare e diagnosticare l’operatività di un prodotto dall’interno, per capire in modo concreto come poterlo modificare e migliorare. La simulazione può aver luogo anche per processi molto più complessi, come la termo-fluidodinamica, o per fenomeni come le interferenze elettromagnetiche nei circuiti elettronici e l’operatività della batteria nei veicoli elettrici e ibridi.

Esistono due tipi di Digital Twin, che operano in un ambiente detto “Digital Twin Environment (DTE)”:

  • Il Digital Twin Prototype (DTP), il quale descrive l’artefatto fisico prototipo e contiene gli insiemi informativi necessari per descrivere e produrre una versione fisica che duplica o gemella la versione virtuale;
  • La Digital Twin Instance (DTI), che descrive uno specifico prodotto fisico corrispondente a cui un singolo Digital Twin rimane collegato per tutta la vita del prodotto stesso.

Secondo uno studio di Gartner, nel 2018 il 48% delle aziende interessate nell’IoT stanno progettando l’uso di Digital Twin, che consentirebbe di testare le soluzioni prima che vengano applicate e converrebbe in termini economici: si risparmierebbe circa il 50% del tempo e la produzione incrementerebbe del 20%.

Il Digital Twin nella produzione industriale

In questo video è sintetizzata in modo molto efficace il Digital Twin secondo la visione di Siemens:

L’evoluzione del concetto del Digital Twin

La NASA fu la prima a dilettarsi con la “tecnologia di abbinamento”, vero e proprio precursore del Digital Twin fin dai primi giorni dell’esplorazione spaziale, passando per Apollo 13. Oggi la NASA utilizza il Digital Twin per sviluppare nuove roadmap, veicoli ed aerei di nuova generazione.

Il concetto di Digital Twin risale a una presentazione dell’Università del Michigan nel 2002 per la creazione di un centro di Product Lifecycle Management (PLM). La diapositiva della presentazione, creata dal Dr. Michael Grieves, era semplicemente chiamata “Conceptual Ideal for PLM” e descriveva il tutto come uno specchio (o un gemellaggio) di ciò che esiste nel mondo reale e virtuale. Contiene tutti gli elementi del Digital Twin: spazio reale, spazio virtuale, il link per il flusso di dati dallo spazio reale allo spazio virtuale, il collegamento per il flusso di informazioni dallo spazio virtuale allo spazio reale e ai sub-spazi virtuali.

Digital Twin

Digital Twin. Fonte: The Magazine, Siemens.


Digital Twin

Digital Twin. Fonte: Siemens PLM.

Di recente il Prof. Martin Eigner dell’Università di Kaiserslautern in Germania ha ampliato il Digital Twin nel contesto dell’IoT, Industria 4.0 e nell’Industrial Internet of Things. Alla conferenza PM Future 2016, con Urban August e Matthias Schmich di Siemens, pubblicò un white paper su questo tema: “I prodotti intelligenti richiedono un ripensamento delle strutture e dei processi del prodotto: digitalizzazione, integrazione, interdisciplinarietà e federazione. Il modello di sistema deve supportare il prodotto, la sua produzione e il funzionamento.”

I vantaggi

Adottare il Digital Twin nel mondo industriale consente già oggi di ottenere importanti vantaggi, come ad esempio:

  • capacità di risolvere problemi comuni con largo anticipo rispetto ai prodotti rilasciati sul mercato;
  • riduzione dei difetti del prodotto e dei costi di produzione per eliminare quasi tutti i rischi nei prodotti futuri;
  • spostamento dei processi di convalida nel mondo virtuale, pur mantenendo comunque una connessione virtuale-fisica che consente di analizzare il rendimento di un prodotto in una serie di condizioni e apportare le modifiche necessarie nel mondo virtuale per garantire che il prodotto fisico funzioni esattamente come previsto sul campo;
  • verifica del processo di produzione, che agisce prima che qualcosa entri effettivamente in produzione. Perfezionando questa caratteristica, l’azienda può impedire costosi tempi di inattività alle macchine e ai robot in fabbrica. È anche possibile prevedere quando sarà necessaria una manutenzione preventiva per evitare tempi di fermo non necessari;
  • accorciare il time-to-market: arrivare sul mercato più velocemente della concorrenza è un problema che tutte le aziende devono affrontare;
  • risparmio di tempo e denaro nella simulazione, nelle prove e nelle analisi;
  • affidamento non solo sul fisico: si possono includere informazioni dalle loro prestazioni fisiche nei gemelli digitali per mantenere una versione fedele del mondo virtuale.

Questo flusso costante di informazioni accurate e aggiornate offre già oggi l’intelligenza necessaria per prendere decisioni più rapidamente, aumentare la velocità di produzione e ottimizzare la produttività, per arrivare sul mercato più velocemente.

Le simulazioni preliminari, permesse dalla replica virtuale di un prodotto reale, nel tempo abbassano i costi dei comparti delle imprese che si occupano di ricerca, grazie alle condizioni operative ottimali, durante le quali testare i consumi, e alle caratteristiche quantitative e qualitative dell’oggetto; al tempo stesso, aumentano le possibilità di effettuare modifiche anche minime ai processi. La simulazione offline dei robot consente, ad esempio, di controllare in modo esatto l’evoluzione del pezzo lavorato dalla macchina, potendo minimizzare completamente la comparsa di anomalie di realizzazione e assicurando così un risultato quanto più vicino alla perfezione.

Durante l’Innovation Day 2017 di Monaco di Baviera, Joe Kaeser, CEO di Siemens, ha spiegato che vorrebbe rendere disponibile un Digital Twin per ogni macchina, prodotto e processo industriale. Il colosso tedesco è l’unica azienda in grado di coprire tutti gli aspetti riguardanti il prodotto: parte meccanica, elettronica e software.

È importante stare al passo delle innovazioni, come testimoniano anche le parole di Thomas Kaiser, vice presidente di SAP: “I Digital Twin stanno diventando un imperativo aziendale che coprono l’intero ciclo di vita di un bene o di un processo e costituiscono la base per prodotti e servizi connessi. Le aziende che non risponderanno saranno indietro rispetto alle altre.”

Articoli sul Digital Twin:

Industria 4.0: come creare flussi di entrate supplementari con il Digital Twin

Il digital twin nell’industria del cablaggio: un grande vantaggio competitivo

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