Digital Twin: il concetto di Gemello Digitale
Rappresentazione digitale in tempo reale di processi e prodotti
Cosa è il Digital Twin?
Comprendere il Digital Twin (“gemello digitale”) è abbastanza facile. Un modo importante per affrontare le sfide dello sviluppo di sistemi complessi è costruire una serie di modelli altamente accurati che aiutino a prevedere il comportamento del prodotto durante tutte le fasi del ciclo di vita.
Questi modelli, che sono chiamati "Digital Twin", sono disponibili in diverse scale e istanze per varie applicazioni, integrano molteplici aspetti fisici, contengono le migliori descrizioni fisiche disponibili, rispecchiano la vita del prodotto reale e il suo processo di produzione.
Il concetto è applicabile in varie fasi del ciclo di vita di un prodotto o sistema.
- Dalla fase di ideazione, con un Gemello Digitale del prodotto che aiuta a definire/migliorare i progetti e analizzare le prestazioni,
- alla fase di realizzazione, con un Gemello Digitale del processo produttivo,
- fino alla fase di utilizzo, con un Gemello Digitale del prodotto in servizio e durante il ritiro.
Quando le aziende integrano tutti questi Digital Twin insieme, hanno accesso a un Digital Twin Olistico che diventa la spina dorsale del loro sviluppo di prodotto, in grado di fornire una maggiore comprensione, riducendo i tempi del ciclo di sviluppo, migliorando l'efficienza, e aumentando l'agilità del mercato.
Il concetto
Il primo Digital Twin: Apollo 13
Il concetto di utilizzare modelli fisici che imitano il comportamento dei prodotti reali non è nuovo. Per esempio, il programma Apollo della NASA usava veicoli spaziali identici in modo che uno dei veicoli potesse essere usato per testare le procedure sulla terra mentre l'altro era nello spazio.
Il primo uso della frase "Digital twin" è apparso in un rapporto della NASA nel 2010 ed è definito come segue:
“Un Digital Twin è una simulazione multifisica e multiscala integrata di un veicolo o sistema che utilizza i migliori modelli fisici disponibili, gli aggiornamenti dei sensori, la storia della flotta, ecc., per rispecchiare la vita del suo gemello volante corrispondente.”
Gemello Digitale: tipologie
Ci sono tre tipi di Digital Twin, ciascuno dei quali si basa e alimenta i dati alle altre versioni di se stesso:
- Digital Twin del Prodotto
- Digital Twin della Produzione
- Digital Twin della Performance
Digital Twin del Prodotto
Il Digital Twin del Prodotto nasce già nella fase di definizione e progettazione di un prodotto pianificato. Ciò consente agli ingegneri di simulare e convalidare le proprietà del prodotto a seconda dei rispettivi requisiti: per esempio, il prodotto è stabile ed è intuitivo da usare? L'elettronica funziona in modo affidabile? Che si tratti di meccanica, elettronica, software o prestazioni di sistema, il Gemello Digitale può essere utilizzato per testare e ottimizzare tutti questi elementi in anticipo.
Digital Twin della Produzione
Il Digital Twin della Produzione coinvolge ogni aspetto, dalle macchine e dai controllori di impianto a intere linee di produzione nell'ambiente virtuale. Di conseguenza, le fonti di errore o guasto possono essere identificate, e prevenute, prima dell'inizio del funzionamento effettivo.
Ciò consente di risparmiare tempo e gettare le basi per una produzione di massa personalizzata, perché anche percorsi di produzione molto complessi possono essere calcolati, testati e programmati con il minimo costo e sforzo, in un tempo molto breve.
Digital Twin della Performance
Il Digital Twin della Performance è diverso. Mentre molti produttori già utilizzano quelli del prodotto e della produzione, non hanno la capacità di attivare completamente il Digital Twin della Perfomance, e creare il ciclo di feedback necessario per un Digital Twin a ciclo chiuso.
Richiede una soluzione IoT basata su cloud in grado non solo di monitorare da remoto le risorse, ma anche di integrarsi perfettamente con le altre tecnologie utilizzate nei modelli di prodotto e nei modelli di produzione.
Il Digital Thread
Il concetto di Digital Thread è legato al concetto di Digital Twin. Il Digital Thread cattura informazioni su tutti i dati, i modelli, i processi e le risorse, dai requisiti di progettazione e ingegneria fino all'utilizzo per il Digital Twin.
E lo fa in tutte le aree funzionali e per tutte le parti interessate. Così, dove il Digital Twin può essere considerato l'entità virtuale in grado di prevedere le prestazioni, il Digital Thread traccia l'evoluzione del Digital Twin e aiuta a mantenerlo attuale e aggiornato.
Siemens è leader nell'innovazione in questo campo. È l'unica azienda in grado di fornire completamente il Digital Twin ad anello chiuso (v. figura sotto). La sua soluzione di IoT industriale, come servizio, aggiunge il Digital Twin della Performance a un già robusto Digital Twin del Prodotto e un Digital Twin di Produzione. Il Digital Thread completo è gestito con software CAD, CAM, CAE, PDM e IoT integrati, che offrono trasparenza operativa e un Digital Twin a ciclo chiuso che attraversa l'azienda e l'intero ciclo di vita del prodotto. Con tutti i processi connessi e aggiornati in tempo reale, è possibile sfruttare il Digital Twin a ciclo chiuso per potenziare la manutenzione intelligente di prodotti, impianti, sistemi e macchine.
La spina dorsale dell’industria nel futuro
I Digital Twin saranno la spina dorsale dell'innovazione del futuro, con le loro capacità di fornire rappresentazioni virtuali di prodotti, sistemi e città del mondo reale. Ecco perché.
Per esempio, il Gemello Digitale di un motore elettrico non solo mostra la forma, ma analizza anche le funzioni - dalla rotazione dell'albero alla conducibilità termica, ai dati dai sensori, e oltre. Inoltre, il Digital Twin si evolve continuamente grazie al flusso di dati, al feedback dell'esperienza utente e al nuovo input. Ed ha un grande impatto sullo sviluppo, la produzione e il funzionamento.
Nello sviluppo, il comportamento di un prodotto può essere simulato e testato molto prima che un prototipo fisico sia stato costruito. Siemens ha utilizzato il Digital Twin per sviluppare un motore aeronautico elettrico da record mondiale che non solo pesa 50 kg, ma è anche cinque volte più potente di motori elettrici comparabili.
Ma non finisce qui. Il Gemello Digitale sprigiona anche la potenza della stampa 3D. In un recente studio per i sistemi di miscelazione dei gas, le intuizioni della simulazione del comportamento di forma e flusso sono state combinate con algoritmi generativi. Il risultato? Una forma e configurazione del canale davvero unica - una significativamente più efficiente di qualsiasi altra cosa progettata in precedenza.
In Produzione, anche intere fabbriche fino a singole macchine possono essere simulate e testate. Ad esempio: i robot. È difficile per loro eseguire operazioni di fresatura, perché grandi forze nel processo di produzione portano a movimenti imprecisi. Ma con il Digital Twin, le forze che spingono il robot lontano dal percorso di fresatura possono essere calcolate e compensate in tempo reale, mantenendo il robot nel suo percorso.
Quando si tratta di operazioni, Digital Twin può confrontare i dati del sensore di un punto reale in tempo reale, con la simulazione del suo punto. La disponibilità del punto parallelamente alle operazioni può essere prevista in modo affidabile e le interruzioni improvvise diventano un ricordo del passato.
Ma questo è solo l'inizio. La fusione del Gemello Digitale con l’intelligenza artificiale permette ai computer di progettare autonomamente prodotti avanzati.
Per lo sviluppo, la produzione e il funzionamento, il Digital Twin rompe con i paradigmi tradizionali e apre straordinarie possibilità. Ecco perché i Digital Twin sono la spina dorsale dell'innovazione del futuro.
Supporto alla sostenibilità
Oggi la sostenibilità ambientale è diventata una priorità non solo per i consumatori ma anche per le aziende. L'uso del Digital Twin emerge come un potente alleato in questa missione. Creando una replica digitale accurata di un sistema fisico, un gemello digitale permette di eseguire simulazioni dettagliate e analisi predittive in un ambiente virtuale. Questo è particolarmente utile per testare l'efficacia di nuove strategie di sostenibilità, come l'ottimizzazione dell'uso dell'energia o la riduzione delle emissioni, senza dover interferire con il sistema fisico reale.
Inoltre, il Digital Twin può aiutare le aziende a identificare punti critici nei loro processi che potrebbero essere migliorati per ridurre gli sprechi e l'uso inefficiente delle risorse. Questo non solo contribuisce a ridurre l'impatto ambientale, ma può anche portare a significativi risparmi economici.
Infine, l'uso del Digital Twin facilita la raccolta di dati accurati che possono essere utilizzati per report di sostenibilità, fornendo così una maggiore trasparenza ai stakeholder e ai regolatori. In questo modo, le aziende non solo possono fare la loro parte per un futuro più sostenibile, ma possono anche dimostrarlo in modo tangibile.
I benefici dell’uso del Gemello Digitale
Il Digital Twin include tutte le informazioni necessarie per prevedere continuamente le prestazioni e la salute del prodotto, la vita utile rimanente, o, per alcune applicazioni, anche la probabilità di successo della missione. Può anche prevedere la risposta del sistema agli eventi critici per la sicurezza e scoprire problemi precedentemente sconosciuti prima che diventino critici, confrontando le risposte previste e reali.
In definitiva, se disponibili al massimo delle loro capacità, i sistemi a bordo del Digital Twin potrebbero essere in grado di mitigare danni o il degrado. Potrebbero attivare meccanismi di auto-guarigione o raccomandare cambiamenti in un profilo di missione per diminuire i carichi, e quindi aumentare sia la durata della vita che la probabilità di successo della missione. Oppure potrebbero suggerire aggiornamenti dei sistemi intelligenti per migliorare le prestazioni del prodotto e ridurre il consumo di carburante.
White Paper
Maturing simulation and test capabilities for the Digital Twin
Questo white paper di Siemens spiega cos'è un Digital Twin, il suo valore, e come le aziende dovrebbero maturare le loro capacità di simulazione e test per sfruttare un futuro con i Digital Twins. Il portfolio Simcenter viene introdotto a conclusione del paper.
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