La progettazione nel futuro

Il Digital Twin permette alle aziende di diventare più flessibili, ridurre il time-to-market e i costi, migliorare la qualità e aumentare la produttività a tutti i livelli dell’organizzazione.

di Adriano Moroni

Per mettere in pratica i concetti legati a Industria 4.0, sempre più spesso si sente nominare l’espressione Digital Twin (gemello digitale), ovvero la rappresentazione virtuale delle diverse fasi che coinvolgono prodotto, processo produttivo fino alle prestazioni del prodotto stesso in modo da aumentare l’efficienza produttiva.
Allo scopo di illustrare il ruolo della simulazione e del Digital Twin nel mondo manifatturiero odierno, Siemens PLM Software, business unit di Siemens Digital Factory Division, ha organizzato lo scorso novembre un incontro con Jan Leuridan, Senior Vice President, Simulation and Test Solutions di Siemens PLM Software.
“Già nel 2007 Siemens PLM Software ha identificato una strategia verso la digitalizzazione nell’industria, anticipando tutto quello che poi nei successivi dieci anni è successo nel mercato e nel mondo industriale. Da allora l’azienda ha effettuato tutta una serie di acquisizioni che l’hanno portata a sviluppare una piattaforma digitale innovativa a disposizione delle aziende manifatturiere”.

Lanciare nuovi prodotti sul mercato con una velocità senza precedenti
Secondo Siemens PLM Software, il Digital Twin è un insieme di modelli computerizzati che forniscono informazioni utili per progettare, validare e ottimizzare un prodotto, un processo produttivo o un impianto produttivo in ambito virtuale. “Il gemello digitale – spiega Leuridan – consente di fare tutto ciò in modo veloce, preciso e con la massima fedeltà rispetto all’oggetto vero e proprio, alla sua controparte fisica. I gemelli digitali sfruttano dati raccolti dai sensori installati su oggetti fisici per rappresentare il loro stato, le condizioni di funzionamento o la posizione in tempo quasi reale”.
Il Digital Twin consente di sviluppare e lanciare nuovi prodotti sul mercato con una velocità senza precedenti. “Oggi è possibile realizzare gemelli digitali per la progettazione di prodotti, la pianificazione di processi manifatturieri e la produzione attraverso la Smart Factory e lo Smart Product”, afferma Leuridan.

Progettazione di prodotto
L’utilizzo classico di un gemello digitale si articola in tre fasi: progettazione di prodotto, pianificazione del processo manifatturiero e cicli di feedback.
Nella progettazione di prodotto, il Digital Twin comprende tutti gli elementi per la progettazione di un prodotto: modelli 3D (con sistemi CAD), modelli di sistemi/impianti (con soluzioni di ingegneria di sistema come lo sviluppo di systems driven product), distinta base, modelli di analisi 1D, 2D e 3D (con software CAE come Simcenter), progettazione e collaudo di software (con soluzioni ALM come Polarion), nonché progettazione elettronica (con software come quelli di Mentor Graphics).
Utilizzando tutti questi strumenti si ottiene un modello computerizzato completo del prodotto, che consente la convalida e il collaudo virtuale del prodotto pressoché al 100%. “In questo modo si elimina il ricorso a prototipi, si riducono i tempi di sviluppo, si migliora la qualità del prodotto finale e si velocizzano le iterazioni sulla base dei riscontri dei clienti”, sottolinea Leuridan.

Pianificazione dei processi produttivi
Le attuali soluzioni di Siemens consentono di sviluppare tre modelli fondamentali per ogni azienda manifatturiera:
– modello del processo produttivo – il “come” – che descrive nel dettaglio come verrà fabbricato il prodotto;
– modello dell’impianto produttivo, una rappresentazione digitale completa delle linee di produzione e assemblaggio necessarie per realizzare il prodotto;
– modello dell’automazione di impianto, che descrive come il sistema di automazione (SCADA, PLC, HMI ecc.) supporta l’impianto produttivo.
“Il valore del gemello digitale in produzione offre la possibilità unica di simulare, validare e ottimizzare virtualmente l’intero impianto di produzione. Consente di verificare come verrà costruito il prodotto, con tutti i suoi componenti principali e sottoassiemi, utilizzando i processi, le linee e l’automazione di produzione previsti”, spiega Leuridan.
All’interno del gemello digitale si possono integrare anche gli aspetti logistici allo scopo di alimentare le linee di produzione. Veicoli teleguidati, scaffalature, cassette e nastri trasportatori farebbero ugualmente parte del gemello digitale dell’impianto di produzione, cioè la “fabbrica intelligente”.

Cicli di feedback
Esistono due cicli di feedback che hanno un forte impatto sulla maggior parte delle realtà manifatturiere: Smart Factory loop e Smart Product loop.
Il ciclo di feedback parte dalla Smart Factory. La “fabbrica intelligente” è un modello completamente digitale di un impianto di produzione collegato tramite sensori, sistemi SCADA, PLC e altri dispositivi di automazione al principale archivio dati del PLM. Nella fabbrica intelligente tutti gli eventi che si verificano nella sfera fisica durante la produzione vengono registrati e rimandati al sistema PLM, direttamente o via cloud. L’intelligenza artificiale studia e analizza queste informazioni, inviando i risultati più significativi al reparto di sviluppo prodotto che si occupa della pianificazione della produzione o dell’impianto.
Le informazioni raccolte durante la produzione possono servire anche da base per migliorare la manutenzione delle risorse di produzione. Grazie a queste informazioni è possibile realizzare una manutenzione basata sulle condizioni effettive (rilevate da sensori) molto più efficiente, aumentando la disponibilità degli impianti e la produttività.
Per quanto concerne invece il ciclo di feedback Smart Product loop, la possibilità di monitorare l’utilizzo dei prodotti smart consente di raccogliere numerose informazioni preziose per migliorare i prodotti stessi in futuro.

Progettazione generativa
La complessità di alcuni smart product richiede una capacità di reingegnerizzazione. “Nei processi di progettazione dei prodotti tradizionali, un progettista utilizza il software per progettare un prodotto o un componente per soddisfare requisiti specifici. Con la progettazione generativa, il progettista imposta i requisiti e i parametri specifici (ad esempio il materiale, le dimensioni e il peso) e il software configura automaticamente la soluzione geometrica ottimale”, spiega Leuridan. La progettazione generativa porta importanti benefici anche nel campo dell’Additive Manufacturing, dando la possibilità di produrre geometrie e topologie completamente nuove. Molte forme che provengono dal disegno generativo sono difficili o impossibili da produrre usando i metodi tradizionali, mentre i processi di Additive Manufacturing possono stampare direttamente queste forme. Inoltre, accoppiando la progettazione generativa con la produzione additiva, le aziende possono costruire prodotti con funzionalità ottimali.