Periodico bimestrale
Anno XIX, numero 87
Lug./Ago. 2018
ISSN 1128-3874
METODOLOGIA

Quale valore può portare il gemello digitale alle aziende manifatturiere?

Zvi Feuer, Zvika Weissman

Si possono dare molte definizioni di gemello digitale, ma dal nostro punto di vista il gemello digitale 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 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.

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Siemens ha riconosciuto da tempo il valore del gemello digitale. Quando ha iniziato a sviluppare software per la robotica avanzata oltre 25 anni fa, realizzava modelli 3D completi delle celle di montaggio delle scocche automobilistiche. Questi modelli 3D erano in grado di simulare, validare e ottimizzare le operazioni robotizzate prima che venissero eseguite in officina. Grazie a un altissimo grado di fedeltà, le applicazioni di Siemens non solo potevano simulare una cella, ma anche consentirne la messa in funzione virtuale (virtual commissioning) in modo pressoché perfetto.

 

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.


I progressi dell’informatica hanno permesso di ampliare il raggio d’azione del gemello digitale, aggiungendo ulteriori funzionalità, informazioni e dati in entrata e in uscita (input e output). Il gemello 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 il ciclo della Smart Factory e lo Smart Product.
Implementare un gemello digitale
L’utilizzo classico di un gemello digitale si articola in tre fasi: progettazione di prodotto, pianificazione del processo manifatturiero e cicli di feedback.
1. Progettazione di prodotto. Il gemello digitale comprende tutti gli elementi per la progettazione di un prodotto, cioè:
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);
progettazione elettronica (con software come quelli di Mentor Graphics).
Utilizzando tutti questi elementi 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.
2. 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.) supporterà 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.
All’interno del gemello digitale si possono integrare anche gli aspetti logistici. Il gemello digitale dei sistemi logistici può aiutare i team di pianificazione a progettare una soluzione logistica efficace per alimentare le linee di produzione. La logistica di processo può far parte del gemello digitale del processo produttivo così come la parte fisica del sistema logistico. Veicoli teleguidati, scaffalature, cassette e nastri trasportatori farebbero ugualmente parte del gemello digitale dell’impianto di produzione, cioè la “fabbrica intelligente”.
È opportuno sottolineare come, mentre le organizzazioni più piccole potrebbero non aver bisogno di tutti gli elementi di un gemello digitale, anche le aziende manifatturiere più piccole presentano alcuni elementi critici, senza i quali un piccolo produttore non sarebbe in grado di mantenere la propria competitività.
3. 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.
Smart Factory 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.
Perché è importante questo aspetto? Dopo una sola settimana circa dall’inizio della produzione, l’impianto e il processo sono destinati a cambiare. Vengono implementate nuove idee, vengono introdotti nuovi metodi di lavoro e potrebbero subentrare nuovi fornitori: tutto questo comporta modifiche all’impianto o al processo di produzione. Poiché tali modifiche avranno sicuramente conseguenze per il futuro, aggiornare il sistema in questa fase sta diventando un imperativo.
Gli impianti di produzione hanno una vita più lunga rispetto al ciclo di vita del prodotto e molti dei nostri clienti utilizzano gli impianti per realizzare diversi prodotti. Questi fattori determinano una necessità crescente di acquisire regolarmente queste modifiche nel sistema PLM, che successivamente le potrà distribuire a tutti i soggetti interessati.
Le informazioni raccolte durante la produzione possono servire anche da base per migliorare la manutenzione delle risorse di produzione. Grazie a queste informazioni possiamo realizzare una manutenzione basata sulle condizioni effettive (rilevate da sensori) molto più efficiente, aumentando la disponibilità degli impianti e la produttività.
Smart Product loop. Oggi praticamente ogni prodotto è “smart”, cioè intelligente. Molte aziende cercano modi per migliorare la connettività con i prodotti smart, mentre vengono utilizzato dai loro clienti.
Monitorando l’utilizzo dei prodotti si possono raccogliere molte informazioni preziose per migliorare i prodotti stessi in futuro. Oltre a questo, connettendosi a questi Smart Product si può generare un nuovo tipo di business model che si traduce in offerte più concorrenziali.
Ad esempio, un costruttore di motori aeronautici può vendere “ore di volo” invece di motori veri e propri. Quando una compagnia aerea acquista “ore di volo” di un motore, spende meno in termini di spesa capitale e ottiene un servizio migliore, perché il costruttore si impegna a fornire un livello superiore di assistenza e manutenzione. Il costruttore di motori viene infatti pagato solo quando i motori sono effettivamente operativi, pertanto deve garantire il monitoraggio costante dei motori, fornire consulenza sul loro utilizzo e manutenzione, e provvedere a interventi di manutenzione, riparazione e revisione. Gli Smart Product sono ovunque. Ad esempio, noi di Siemens abbiamo un cliente che produce gru pesanti. Qualche anno fa questa azienda ha modificato i prodotti trasformandoli in gru intelligenti. I clienti finali dell’azienda possono acquistare la “potenza di sollevamento” a una tariffa oraria invece di acquistare le gru. Attraverso i sensori installati l’azienda raccoglie informazioni sull’uso delle gru e fornisce ai suoi clienti indicazioni su come utilizzarle per assicurarsi una maggiore durata e più potenza di sollevamento.  
Questo è il vero valore del gemello digitale: offrire flessibilità in produzione per ridurre i tempi necessari per progettare un prodotto, per pianificare un processo e un impianto produttivo e per progettare un impianto di produzione. Il gemello digitale migliora la qualità e supporta nuovi modelli di business che offrono alle piccole e medie imprese la possibilità di ampliare le loro officine e dotarle di più funzionalità high-tech.
I gemelli digitali consentiranno 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.
 

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