Cos' è un gemello digitale?
Grazie a tecnologie avanzate come l'intelligenza artificiale, la VR e la scansione 3D sempre più integrata nella produzione, la linea di separazione tra realtà fisica e virtuale non è mai stata più sfocata, portando alcuni a dire che siamo nel bel mezzo di una quarta rivoluzione industriale. Al centro di questa "Industria 4.0" c'è il "gemello digitale", una copia virtuale di un oggetto, di una risorsa, di un sistema o di un processo che può essere utilizzata per tracciare o migliorare le prestazioni. In questo articolo spieghiamo come sono fatti questi gemelli, quali sono le loro applicazioni e le opportunità che potrebbero fornire.
Introduzione
I gemelli digitali non sono solo modelli 3D: sono collegati a parti, risorse, sistemi o processi reali da un feed di dati in tempo reale
Il gemellaggio digitale è una delle numerose tecnologie emergenti che hanno il potenziale di cambiare il modo in cui vengono fabbricati i prodotti. Ma, prima di lasciarci trasportare dalle opportunità che presentano, vale la pena chiedersi: cosa sono esattamente i gemelli digitali?
In sostanza, il concetto di gemello digitale ruota attorno all'idea che prodotti, macchine e persino installazioni più ampie, possano essere trasformati in modelli virtuali. Che siano sviluppati tramite aggregazione di dati o acquisiti utilizzando tecnologie come la scansione 3D, è importante notare che questi gemelli non sono solo copie digitali. Infatti, sono frutto di uno scambio dati con le loro controparti reali tramite una serie di sensori collegati. Questo flusso di dati, che può includere informazioni come le condizioni di un oggetto durante la produzione, o la produzione di energia dei macchinari, sta rapidamente diventando estremamente vantaggioso per i produttori.
Punto Chiave
I gemelli digitali forniscono ai produttori un prezioso mezzo per testare specifici miglioramenti del flusso di lavoro prima di applicarli in fabbrica.
Con i gemelli digitali di sistemi o processi, sono in grado di monitorare ogni aspetto delle loro prestazioni e identificare opportunità di ottimizzazione. Questi dati possono quindi essere utilizzati in aree come la manutenzione delle macchine e la manutenzione preventiva per prevenire i guasti e ridurre i tempi di fermo. Inoltre, i gemelli digitali forniscono ai produttori un prezioso mezzo per testare i miglioramenti del flusso di lavoro tramite simulazioni su scala ridotta, prima di attualizzarli in fabbrica.
Un gemello digitale di un APU (Auxiliary Power Unit). Fonte immagine: Università di Twente
Supponiamo che tu voglia anche esaminare il comportamento di un articolo composto da più parti mobili una volta assemblato. Con le simulazioni dei gemelli digitali, è possibile esaminare attentamente come i componenti del prodotto interagiscono tra loro e identificare potenziali miglioramenti nel design, in modo da eludere gran parte delle prove e degli errori osservati nella ricerca e sviluppo del prodotto.
Applicando questo approccio su una scala maggiore, è persino possibile utilizzarlo per la pianificazione urbana. Gli architetti possono ora utilizzare i dati delle costruzioni come solida base per analizzare se i paesaggi urbani sperimentali, progettati per migliorare la sostenibilità delle costruzioni e la qualità della vita dei cittadini, funzionerebbero come previsto nel caso venissero costruiti nella realtà.
Punto Chiave
I gemelli digitali non sono solo modelli 3D di risorse, sistemi o processi reali: sono collegati da un flusso di dati in tempo reale.
Il concetto come lo conosciamo oggi è stato teorizzato per la prima volta da Michael Grieves all'Università del Michigan nel 2002, ma i gemelli digitali non sono stati chiamati così fino al 2010, quando l'ingegnere della NASA John Vickers non ha coniato il termine. Da allora, la tecnologia è passata dall'essere una nicchia manifatturiera a una delle principali tendenze tecnologiche industriali a livello globale. In particolare, il suo potenziale come parte di una serie completamente integrata di tecnologie, o "Internet of Things", insieme ad altre come AI, AR e stampa 3D, continua a catturare l'immaginazione dei produttori.
Quindi, come funziona tutto questo nel mondo reale? Nella seconda parte di questo articolo analizzeremo come vengono realizzati i gemelli digitali, prima di identificare come la scansione 3D può aiutare a ottimizzare questo processo e dove i modelli digitali risultanti possono essere applicati in tutti i settori.
Tipi di gemello digitale
Gemelli digitali di parti e risorse
I gemelli di prodotto possono essere suddivisi in due diversi tipi: parti e risorse. Per parti, intendiamo i componenti funzionali più piccoli e basilari di costruzioni più grandi, come i giunti e le travi di un assieme (noti anche come sottoinsiemi meccanici). Le risorse, invece, sono prodotti con due o più componenti, le cui interazioni possono essere analizzate sotto forma di gemello digitale.
Un gemello digitale progettato per allungare il ciclo di vita di una turbina a vapore. Fonte immagine: GE
Sistema di gemelli digitali
Ingrandendo ulteriormente la scala, abbiamo dei gemelli digitali di sistemi. Questi modelli possono essere costituiti a partire da parti o prodotti che sono stati assemblati in unità completamente funzionali, così come dalle macchine utilizzate per produrli. Fondamentalmente, questa categoria di gemello digitale consente agli utenti di analizzare come interagiscono due diversi tipi di risorse e identificare opportunità di miglioramento delle prestazioni.
Elaborare gemelli digitali
Se applicati su una scala più ampia, i gemelli digitali possono essere utilizzati anche per monitorare le prestazioni di intere fabbriche. Questi gemelli digitali consentono ai produttori di sincronizzare tutti i sistemi di una struttura, siano essi relativi alla produzione o a facilitatori come i sistemi di ventilazione, e garantire che funzionino costantemente al massimo dell'efficienza. Possono anche essere utili strumenti di pianificazione. Se, ad esempio, un sistema dovesse guastarsi, quale sarebbe l'impatto sugli altri sistemi?
In definitiva, avere una visione su macrolivello delle catene di processi consente agli utenti di rilevare in anticipo la carenza di materiale o la necessità di manutenzione di una macchina, in modo da poter pianificare in anticipo e massimizzare i tempi di attività del sistema.
Dove entra in gioco la scansione 3D?
In poche parole, questo è il gemellaggio digitale. Ma dove si inserisce esattamente la scansione 3D? Al momento, questa tecnologia è uno dei modi migliori per creare i modelli alla base dei gemelli digitali, come parte di un processo di digitalizzazione che viene spesso descritto come "acquisizione della realtà".
Anche se è possibile sviluppare modelli computazionali che raccolgono i dati necessari per eseguire simulazioni di gemello digitale, senza impegnarsi in alcuna cattura della realtà, questo è un flusso di lavoro lungo mesi. La scansione 3D offre un mezzo molto più veloce per accedere a queste informazioni. Ciò può essere ottenuto digitalizzando qualsiasi cosa, una parte o una catena di processi, sia per l'analisi istantanea che per creare un gemello digitale completamente integrato.
Un gemello digitale utilizzato per gestire i dati operativi e sensoriali in tempo reale
Naturalmente, ci sono anche altre tecnologie di acquisizione della realtà. Utilizzando la fotogrammetria, ad esempio, è possibile creare gemelli digitali sovrapponendo le foto di un oggetto scattate da più angolazioni con una qualsiasi fotocamera, anche quella di uno smartphone. Tuttavia, la tecnologia non è molto accurata, il suo utilizzo può richiedere molto tempo e tende a non fornire feedback in tempo reale, rendendo più probabile la mancanza di dati di scansione.
Inoltre, mentre la scansione 3D fornisce misurazioni lineari, la fotogrammetria è più vulnerabile alla distorsione. Questo perché la tecnologia si basa molto sulla qualità dell'immagine, che può essere influenzata da moltissimi fattori, dalla risoluzione della fotocamera alla sfocatura del movimento. Come vedremo più avanti, la precisione è un prerequisito vitale per la creazione di gemelli digitali utilizzabili e questa incoerenza impedisce alla fotogrammetria di essere utilizzata come strumento per il gemellaggio digitale.
Punto Chiave
La scansione 3D offre ai produttori un mezzo più veloce e versatile per digitalizzare con precisione i loro prodotti e strutture.
Al contrario, la scansione laser LiDAR continua a rivelarsi un mezzo popolare e altamente accurato per modellare strutture più grandi nel campo del rilevamento. Gli scanner 3D portatili sono anche molto versatili e alcuni dispongono di display integrati che ti consentono di controllare quali dati hai acquisito mentre scansioni. Questi dispositivi sono così efficaci che le scansioni risultanti possono essere utilizzate come base per modelli CAD o BIM e, in definitiva, per la creazione di gemelli digitali.
Nel complesso, i progressi nel campo della scansione 3D continuano a renderla un mezzo migliore per ottenere informazioni sulla produzione e accelerare il processo di creazione dei gemelli digitali. Ma, se sei nuovo a questo tipo di tecnologia, quali sono i principali fattori di differenziazione che devi considerare quando acquisti il tuo primo dispositivo? Diamo un'occhiata più da vicino ad alcuni di questi fattori.
Artec Ray II
Se stai pianificando di creare il gemello digitale di una vasta area, che si tratti dell'interno di una fabbrica o di un immobile, dovrai prendere in considerazione la portata dello scanner. Grazie al suo treppiede montabile, Artec Ray II può catturare rapidamente superfici fino a 130 metri di distanza, con una precisione del punto 3D di 1,9 mm a una distanza di 10 metri. Questo fattore, insieme al display integrato, rende il dispositivo l'ideale per garantire una deviazione minima tra le scansioni e le reali dimensioni degli spazi della fabbrica e per assicurarsi che i gemelli digitali risultino adatti al loro scopo.
Per ricreare le strutture nei minimi dettagli, potrebbe anche essere necessario scansionare parti complesse con dispositivi portatili e combinare questi dati con quelli acquisiti da Artec Ray II, come è possibile fare all'interno di Artec Studio. La piattaforma semplifica il processo di allineamento dei dati della nuvola di punti, sia che siano stati appena acquisiti o pre-elaborati, e l'esecuzione di una registrazione globale congiunta, per creare modelli 3D con un livello incredibilmente elevato di risoluzione e precisione.
Lo scanner 3D a lungo raggio ultrarapido di Artec 3D, Ray II
Questo processo, applicabile in qualsiasi settore industriale, potrebbe permettere di digitalizzare qualsiasi cosa, da un'officina a un magazzino pieno di macchinari, ma i vantaggi sono gli stessi. Il monitoraggio delle prestazioni di produzione in tempo reale consente di identificare e affrontare il prima possibile i potenziali colli di bottiglia, indipendentemente dal fatto che siano causati da un difetto di progettazione o da difetti di fabbricazione.
Il dinamico duo: Ray II + Leo
Altrove, se intendi creare gemelli di risorse piuttosto che di processi, è probabile che la velocità e la manovrabilità siano fattori da prendere in considerazione. Artec Leo, lo scanner wireless e basato sull'intelligenza artificiale, soddisfa entrambe le esigenze, consentendo agli utenti di acquisire dati a velocità fino a 35 milioni di punti al secondo in modalità HD, monitorando i progressi in movimento, tramite il suo display da 5,5 pollici.
Neanche Leo sacrifica la risoluzione a discapito della velocità, e la sua modalità HD rende più facile che mai acquisire scansioni pulite e ad alta risoluzione di oggetti di piccole e medie dimensioni. Tutte queste caratteristiche rendono il dispositivo perfetto per creare gemelli digitali capaci di replicare le complessità del prodotto.
Artec Leo e Ray II vengono combinati per creare un dettagliato gemello digitale di un sistema di tubature
Se le risorse da digitalizzare sono particolarmente piccole, varrebbe la pena anche considerare Artec Micro. In grado di catturare oggetti con una precisione fino a 10 micron, il dispositivo può essere utilizzato per sviluppare modelli di componenti come viti e parti di sottogruppo con bassa deviazione, che come spiegheremo di seguito, è vitale per creare gemelli digitali affidabili.
Tolleranza dimensionale
Affinché i gemelli digitali siano strumenti efficaci per misurare le prestazioni di produzione, devono prima basarsi su dati accurati. Questo perché qualsiasi misurazione errata distorce le analisi del flusso di lavoro risultanti. Fortunatamente, al giorno d'oggi esistono diversi scanner 3D in grado di raggiungere la soglia di precisione necessaria per creare gemelli digitali utilizzabili.
Se stai cercando di sviluppare gemelli digitali su una scala da piccola a media, la scansione 3D a luce strutturata potrebbe essere perfetta per te. Quando si catturano parti più complesse come dispositivi di fissaggio e valvole industriali, la loro efficacia dipenderà probabilmente dal loro livello di tolleranza dimensionale, ovvero dalla quantità di deviazione che possono tollerare pur funzionando come previsto.
La tecnologia è sicuramente capace di raggiungere questo obiettivo, grazie a scanner 3D portatili di livello metrologico come Artec Space Spider, in grado di creare modelli accurati di oggetti piccoli e complessi, nonché sezioni di quelli più grandi, che si discostano di appena 0,05 mm dalla loro vera dimensione.
Elaborazione dati
Un altro aspetto importante della creazione di gemelli digitali che viene spesso trascurato è l'elaborazione dei dati. Una volta terminata la scansione, il ritmo e la facilità con cui è possibile dare un senso ai dati risultanti ed esportarli su altre piattaforme saranno fondamentali per l'efficacia del flusso di lavoro. In pratica, questo significa essere in grado di trasferire file in formati compatibili con i programmi comunemente utilizzati durante l'analisi industriale, pur conservando dati di immagine vitali.
Punto Chiave
Con il giusto software di scansione 3D, puoi acquisire rapidamente prodotti, sistemi o aree ed esportare le mesh 3D risultanti direttamente nelle piattaforme per la creazione di gemelli digitali.
Quando si tratta di adottare la scansione 3D per la creazione di gemelli digitali, vale anche la pena considerare quanto queste piattaforme siano facili da usare. Queste sono le aree in cui Artec Studio entra davvero in gioco. Non solo il software elabora i dati acquisiti creando aree virtuali o repliche di prodotti, e consente di esportarli in formati come STEP e IGES, ma è anche molto semplice da usare.
La funzione Autosurface di Artec Studio trasforma le forme organiche in modelli CAD con un solo clic
Con poche semplici domande, la funzione Pilota Automatico di Artec Studio è in grado di selezionare gli algoritmi giusti per gestire un determinato set di dati. Ciò aiuta i nuovi utenti che non hanno mai scansionato a familiarizzare rapidamente con la tecnologia e ad automatizzare il flusso di lavoro scan-to-mesh. D'altra parte, chi vuole modificare manualmente le impostazioni della piattaforma può farlo, in quanto può gestire set di dati fino a 500 milioni di poligoni, il che significa che può gestire scansioni di quasi tutti gli oggetti o aree.
Come sviluppare un gemello digitale
Quindi, i gemelli digitali possono essere costruiti utilizzando vasti set di dati o basati su scansioni 3D di aree fisiche o oggetti. Ma come sono questi processi nella pratica? Gli approcci basati sui dati tendono a fare affidamento su algoritmi addestrati utilizzando i dati generati dalla risorsa in questione, i sistemi di pianificazione delle risorse aziendali (ERP) e altri documenti e file, come gli schizzi di progettazione CAD. Con questi dati, tali gemelli digitali possono scoprire le relazioni tra input e output e utilizzare questi risultati per prevedere come potrebbero andare le future produzioni.
In confronto, la creazione di gemelli digitali tramite l'acquisizione della realtà è più semplice. Basta impostare uno scanner a treppiede come Ray II per scansionare automaticamente la fabbrica o utilizzare scanner portatili come Leo per acquisire rapidamente prodotti di piccole e medie dimensioni da qualsiasi angolazione. In questo modo è facile trasformare qualsiasi oggetto o struttura in un modello digitale (un prerequisito vitale per qualsiasi gemello digitale funzionale) anche se, nel caso l'articolo originale venisse aggiornato, potrebbe essere necessaria una nuova scansione.
Un ingegnere configura Artec Ray II per creare un gemello digitale di una grande cisterna
In alcuni casi, è persino possibile combinare questi due approcci e ottenere il meglio da entrambi, sviluppando gemelli ibridi. Il metodo di digitalizzazione degli oggetti scelto dipenderà in gran parte dai fattori specifici dell'applicazione elencati in precedenza, ovvero l'accuratezza, la velocità e la scala in cui è necessario acquisire. Tuttavia, una volta creato un modello 3D, il processo non è finito: è comunque necessario collegare i sensori alle controparti reali e stabilire un collegamento dati.
Anche in questo caso, i luoghi dove collegarli dipenderà dall'applicazione, dato che i modelli di durata del componente, di anomalia, di temperatura e temporanei richiedono ognuno diversi input di dati per funzionare. Allo stesso modo, per ottenere il massimo da questi gemelli digitali, vale la pena investire in programmi di analisi e simulazione o considerare di coinvolgere dei data scientist, se si intende costruire un gemello digitale partendo dai dati.
Come funzionano i gemelli digitali?
I gemelli digitali non sono solo pensati per sembrare un prodotto, un sistema o un processo reale, ma devono anche comportarsi come tali. Ciò richiede che i gemelli siano collegati all'articolo originale, in modo che le prestazioni di quest'ultimo possano essere monitorate e analizzate in tempo reale.
Stabilite tramite il collegamento di sensori o attuatori ad aree critiche per le prestazioni dei prodotti, queste connessioni vedono i dati condivisi tra prodotto, gemello e qualsiasi sistema di esecuzione della produzione (MES) in atto. Questo flusso costante di informazioni è estremamente vantaggioso per i produttori, in quanto consente loro di identificare i miglioramenti dei processi e monitorare il funzionamento dei sistemi.
Prima ancora che i prodotti entrino in produzione in lotti, gli utenti possono anche utilizzare questo flusso di dati per valutare come potrebbero comportarsi durante la produzione e performare in scenari di utilizzo finale. Ciò consente agli utenti di gemelli digitali di iterare sui progetti senza dover realizzare fisicamente prototipi, un vantaggio in termini di materiale risparmiato e di tempo di immissione sul mercato.
I gemelli digitali e l'Internet of things
Ora che abbiamo compreso come funzionano i gemelli digitali, diamo ora un'occhiata ai campi dove è possibile implementarli. Uno dei loro casi d'uso di più alto profilo ruota attorno all'Internet of Things (IoT), un termine ampio usato per descrivere qualsiasi insieme di dispositivi elettronici interconnessi. Negli ambienti manifatturieri si parla da tempo di configurazioni IoT, ma perché sono così vantaggiose?
Per prima cosa, l'integrazione dei flussi di lavoro può sbloccare una maggiore automazione, soprattutto quando l'intelligenza artificiale entra in gioco. Ciò riduce l'input umano necessario per farli funzionare, in modo da migliorare la produttività, riducendo al minimo il rischio di errori, che possono essere molto costosi per la qualità della produzione. Basandosi sui dati storici, è anche possibile che le configurazioni IoT diminuiscano e aumentino il throughput per soddisfare la domanda dei clienti in un modo che utilizzi meglio le risorse.
Un'immagine concettuale di macchinari basati sull'intelligenza artificiale che automatizzano l'agricoltura grazie ai gemelli digitali
Nel frattempo, nel lungo termine, si prevede che la connessione di ogni macchina in una determinata struttura a una rete IoT sbloccherà potenziali opportunità di business. Man mano che la dipendenza dagli operatori umani diminuisce, cresce la possibilità di strutture "a luci spente" completamente automatizzate. Inoltre, con più informazioni disponibili sulle preferenze dei consumatori che mai, i flussi di lavoro IoT forniscono a chi li adotta un mezzo per capitalizzare rapidamente sulle tendenze emergenti. Tutto ciò significa che il mercato dei gemelli digitali è enorme.
Punto chiave
Con l'avvento dei gemelli digitali, della scansione 3D, della realtà virtuale, dell'intelligenza artificiale e di altre tecnologie avanzate, è diventato possibile creare flussi di lavoro Internet of Things completamente interconnessi.
Software per Gemelli Digitali
Quindi i gemelli digitali funzionano in questo modo, in teoria. Ma come vengono sviluppati e implementati nella pratica? Esaminiamo alcune delle principali piattaforme che aiutano i produttori a trasformare i modelli 3D in gemelli digitali e ottimizzare tali flussi di lavoro.
Oracle IoT Asset Monitoring Cloud Service
Il servizio di monitoraggio delle risorse in Cloud per i gemelli digitali del rinomato sviluppatore di software Oracle consente agli utenti di monitorare da vicino l'utilizzo, la posizione e le condizioni generali delle proprie risorse. Tutto ciò di cui c’è bisogno per utilizzare la piattaforma è un set di dati o un modello 3D su cui sia possibile costruire un Gemello Digitale. Tale modello può essere sotto forma di metadati JSON o file di modellazione popolari come OBJ oppure creati tramite programmi popolari come Autocad e Sketchup.
Una volta caricati i loro modelli, gli utenti Oracle possono utilizzare il software per ispezionare, orientare e, se lo desiderano, dividere le risorse in parti più piccole con la funzione Explode. In seguito, è possibile collegare i nodi a queste sotto-attività con il clic di un pulsante, anche se i sensori devono essere posizionati su aree rilevanti dell'oggetto originale per raccogliere dati in tempo reale sulle sue prestazioni.
Grazie al programma di Oracle, gli utenti possono creare diversi tipi di modelli, tra cui gemelli virtuali e predittivi, o operazioni di Twin Projection. I gemelli virtuali utilizzano un modello di dati a base semantica per confrontare il modo in cui i valori degli attributi osservati e desiderati corrispondono l'uno all'altro. Se utilizzato su veicoli industriali, come i carrelli elevatori, questo può essere un modo utile per monitorare l'usura dei freni, l'usura dei pneumatici o la lunghezza del braccio e garantire che rimangano nei parametri stabiliti.
Oracle Predictive Twins, d'altra parte, si basa su modelli analitici e statistici sviluppati sull'apprendimento automatico, che si adattano costantemente alle mutevoli condizioni della fabbrica. Ciò significa che si possono utilizzare i dati in tempo reale per tenere sotto controllo le prestazioni di una risorsa, di un sistema o di un processo, e in ultima analisi aiutare a identificare tendenze, problemi e soluzioni, nonché le loro future esigenze di manutenzione. Twin Projection, a sua volta, consente alle aziende di basarsi su questi risultati, introdurre un flusso di lavoro correttivo o, se sono necessarie ulteriori analisi, esportarli in altri programmi Oracle.
Amazon AWS IoT TwinMaker
Inizialmente potresti non associare Amazon alla produzione industriale, ma la divisione AWS dell'azienda è un attore affermato nello spazio dei servizi cloud. Con la sua piattaforma IoT TwinMaker, AWS permette agli utenti di combinare modelli 3D esistenti con dati del mondo reale per creare gemelli digitali di qualsiasi cosa, dalle apparecchiature industriali a intere linee di produzione.
Secondo la guida all'importazione dei modelli 3D di AWS, ora è più facile convertire file come gli OBJ (comunemente esportati dalle piattaforme di scansione 3D) in GLTF compatibili con TwinMaker. Tale procedura è anche vantaggiosa sotto altri aspetti, per migliorare i tempi di caricamento del programma e semplificare il modo in cui i modelli vengono aggiornati nelle loro rappresentazioni o scene gemelle sullo schermo.
Un esempio di Process Digital Twin su AWS IoT TwinMaker. Fonte immagine: Amazon, AWS
Dopo che gli utenti hanno preparato il loro Gemello Digitale e lo hanno collegato alla sua controparte reale, possono implementare gli strumenti di analisi integrati di AWS per ottenere una visione olistica del loro flusso di lavoro di produzione o utilizzare quelli messi a disposizione dai suoi partner. Questi includono sviluppatori di software industriali di alto profilo come Siemens e Ansys. Quest'ultimo, che commercializza un proprio Digital Twin Builder, offre una suite di strumenti software particolarmente utile che consente agli utenti di testare prototipi virtuali completi di aggiornamenti di asset, sistemi e processi, senza metterli in pratica in modo rischioso.
Autodesk Digital Twin
Anche Autodesk, un altro dei principali protagonisti del settore dei software 3D, offre un software per gemelli digitali, ma la sua offerta è orientata principalmente al settore delle costruzioni. Basandosi sull'esperienza dell'azienda come sviluppatore di programmi compatibili con il Building Information Modeling (BIM), Autodesk Digital Twin consente agli utenti di riunire dati di progettazione, operativi e di costruzione. Ciò consente un processo decisionale più informato sul modo in cui viene eretta la nuova infrastruttura e, su scala più ampia, su come può essere meglio integrata nell'area locale.
Ciò potrebbe permettere di misurare e mitigare i rischi, oppure migliorare il ROI ottimizzando le spese in conto capitale e garantendo che la manutenzione delle strutture sia eseguita nel modo più efficiente possibile. L'integrazione della piattaforma con gli altri programmi di Autodesk apre anche la porta a una maggiore compatibilità incrociata dei file e alle opportunità di accelerare la creazione di gemelli digitali.
Il gemello digitale di un misuratore di portata magnetico su Autodesk Tandem. Fonte dell'immagine: Autodesk
Infine, accumulare e analizzare i dati di costruzione in modo continuo aiuta gli utenti a migliorare le decisioni di investimento, prevedere le esigenze di pianificazione e prevedere i fallimenti, poiché più dati sono disponibili più è probabile prendere decisioni informate. Probabilmente, questo potrebbe essere un vantaggio anche di altri programmi sul mercato, ma la natura dei progetti di costruzione, particolarmente inclini a produrre spese inaspettate, rende questi benefici molto più pronunciati.
Punto Chiave
Molte piattaforme sono compatibili con i tipi di file di scansione 3D più diffusi e sta diventando sempre più facile esportarli e trasformarli in gemelli digitali.
Applicazioni dei gemelli digitali
Produzione manifatturiera
Tra tutte le aree in cui viene applicato, il gemellaggio digitale ha ottenuto maggiore trazione nella produzione, dove i dati in tempo reale possono essere utilizzati per scoprire come migliorare le prestazioni del reparto produttivo, garantire la qualità del prodotto tramite simulazioni e pianificare la manutenzione predittiva per ridurre i tempi di inattività. Un altro modo in cui il processo aiuta i produttori a gestire le risorse è tramite un magazzino virtuale. In tal senso, la scansione 3D offre loro un mezzo perfetto per digitalizzare prodotti e ricambi.
I gemelli digitali non devono essere utilizzati solo come base per la raccolta dei dati, ma possono anche essere utilizzati per creare un database digitale di pezzi di ricambio e prodotti. Tali database consentono la produzione on-demand, sia per soddisfare esigenze di manutenzione interna o picchi nella domanda dei clienti. Applicare la digitalizzazione porta anche a una riduzione dei costi di stoccaggio, poiché i produttori devono tenere a portata di mano meno scorte. Con questo in mente, possiamo affermare che questa tecnologia sta diventando popolare tra i produttori, in quanto offre loro potenziali guadagni finanziari a breve e lungo termine.
Industria automobilistica
Molti dei vantaggi riscontrati nella produzione industriale sono presenti anche nel settore automobilistico. Ad esempio, prima che i nuovi prototipi di veicoli elettrici e a guida autonoma entrino in produzione, i loro progetti possono ora essere convalidati virtualmente tramite simulazioni, in modo da risparmiare su costosi tentativi ed errori. Ma questo non vuol dire che la tecnologia dei gemelli digitali non abbia anche vantaggi specifici per questo settore.
Una linea di produzione automobilistica Digital Twin. Fonte immagine: Siemens
La maggior parte delle auto viene prodotta tramite un flusso di lavoro altamente complesso, in cui più bracci robotici lavorano insieme per eseguire attività come assemblaggio di parti, saldatura, rivestimento e verniciatura. Con il gemellaggio digitale è possibile simulare il modo in cui queste parti mobili si uniranno prima della messa in servizio, in modo da ottimizzare i tempi di ciclo e la produttività. Tali gemelli aiutano anche a rendere modulare la produzione, in modo che le aziende automobilistiche possano cambiare il comportamento dei sistemi, al fine di costruire un numero limitato di auto personalizzate, come richiesto.
Inoltre, dal punto di vista delle prestazioni finali, i gemelli digitali consentono ai produttori di testare come si comporteranno i veicoli in condizioni reali. Infatti, presso il colosso automobilistico Renault, le auto sono ora sottoposte a tutti i test, dalla galleria del vento ai crash test, prima ancora di entrare in produzione. Ciò consente all'azienda di non lasciare nulla al caso e di essere certa di come si comporterà l'auto in termini di potenza del motore, aerodinamica, gestione delle marce e altro ancora.
Industria aerospaziale
Non sorprende che, dato che i gemelli digitali sono stati teorizzati dalla NASA, la tecnologia continui a trovare applicazioni aerospaziali significative, specialmente nella ricerca e sviluppo. Le parti per aerovelivoli hanno tolleranze molto basse, quindi sottoporle a simulazioni accurate è vitale per prevenire guasti critici e prolungarne la durata. I gemelli digitali facilitano questo processo, consentendo ai produttori di prevedere quando le parti si guasteranno sulla base di dati storici.
Lo stesso si può dire per l'industria spaziale. La NASA utilizza ormai da molto tempo le rappresentazioni virtuali di componenti reali a bordo della Stazione Spaziale Internazionale per diagnosticare e correggere i guasti che si verificano in orbita. Negli ultimi anni, il potenziale di potenziamento satellitare della tecnologia è diventato oggetto di un'intensa ricerca. Dopo ulteriori attività di ricerca e sviluppo, si ritiene che il gemellaggio digitale potrebbe un giorno consentire a più satelliti di essere gestiti come un'unica unità. Ciò potrebbe consentire la creazione di una rete satellitare completamente integrata, con applicazioni nelle comunicazioni di segnali TV e cellulari, nonché nel coordinamento della difesa a livello militare.
Punto Chiave
I gemelli digitali affondano le loro radici nel settore aerospaziale, un settore in cui continuano a mostrarsi promettenti per quanto riguarda l'integrazione satellitare.
In altri settori dell'aerospaziale, il programma di formazione sulla realtà ibrida della NASA ha già dimostrato come la scansione 3D possa aiutare a preparare gli astronauti a lavorare su altri pianeti. Utilizzando sia Artec Eva che Space Spider, l'agenzia è riuscita a creare gemelli digitali di diversi strumenti avanzati, pronti per l'utilizzo in missioni future fuori dal nostro mondo. Questi dispositivi sono stati replicati con tale realismo che i cadetti possono imparare a usarli fisicamente in VR.
Uno strumento progettato per l'uso nello spazio (a sinistra) e il suo gemello digitale in una simulazione (a destra). Fonte dell'immagine: NASA
Assistenza sanitaria
Potrebbe non essere il primo settore che viene in mente quando si pensa ai gemelli digitali, ma la tecnologia sta iniziando a prendere piede nel settore sanitario. In questo settore i gemelli digitali tendono ad essere utilizzati più a livello di processo, piuttosto che per ottimizzare le prestazioni del prodotto. Con gli ospedali spesso sotto pressione nel bilanciare capacità, risorse, modelli di assistenza e sicurezza del paziente, i gemelli digitali sono un vantaggio per consentire di monitorare in tempo reale orari, letti e utilizzo della sala operatoria. Ciò, a sua volta, semplifica il processo decisionale per la direzione.
In futuro speriamo che il gemellaggio digitale possa anche essere adattato per modellare il corpo umano, in modo che i medici possano ottenere una comprensione più approfondita delle anatomie individuali dei pazienti. Con queste informazioni, potrebbe un giorno essere possibile sviluppare trattamenti specifici per il paziente, ma ci sono ancora diversi ostacoli da superare in questa ricerca. Raggiungere i dati necessari per realizzare questi modelli richiederebbe costanti test fisiologici, che (per ora) rimangono invasivi e irrealizzabili.
Detto questo, ci sono già segnali promettenti di come la scansione 3D possa aiutare i medici a comprendere meglio il corpo umano. Alla Montpellier Medical University, ad esempio, gli studenti vengono formati con simulazioni VR basate su gemelli digitali creati utilizzando Artec Space Spider. Questi modelli fotorealistici consentono loro di praticare interventi chirurgici senza fare affidamento su veri cadaveri, costosi e difficili da reperire. Probabilmente, questi progetti ci permetteranno un giorno di ottenere gemelli digitali completi dei pazienti.
Il professor Guillaume Captier interagisce con un gemello digitale progettato per la formazione sanitaria
Edilizia
Oltre alla creazione di gemelli digitali negli impianti di produzione, gli scanner laser come Artec Ray II sono diventati anche un mezzo popolare di modellazione nel campo delle costruzioni. Con questi dispositivi a lungo raggio è possibile acquisire e creare modelli dal vivo di grandi cantieri, che consentono ai progettisti di interagire virtualmente con le strutture. Ciò semplifica la gestione delle risorse e la comunicazione con tutte le parti interessate, facilitando al contempo un processo decisionale più informato.
Punto Chiave
Con gli scanner laser come Ray II è possibile creare Gemelli Digitali che forniscono informazioni esclusive nella pianificazione delle costruzioni.
Un altro aspetto di questa tecnologia che facilita l'integrazione nei flussi di lavoro delle costruzioni è la forte compatibilità delle piattaforme per modelli digitali con i modelli CAD e BIM, questi ultimi strumenti particolarmente diffusi nel settore. Come nella produzione, è possibile collegare sensori a diverse aree di questi modelli strutturali, per pianificare come verranno incorporati il riscaldamento, la ventilazione e il condizionamento dell'aria (HVAC) e monitorare lo stato di avanzamento di una costruzione.
Quali sfide affrontano i gemelli digitali?
Sebbene nelle sezioni precedenti abbiamo affrontato alcune delle sfide specifiche divise per applicazione che i gemelli digitali devono affrontare, vale anche la pena considerare tutte quelle più rilevanti. Il più grande ostacolo per qualsiasi applicazione di gemello digitale è l'imprecisione, poiché qualsiasi deviazione significativa tra modello e oggetto distorce i dati e le analisi risultanti.
L'uso di scanner orientati alla precisione come Space Spider è il modo migliore per assicurarsi di catturare oggetti con precisione metrologica, dando al gemello digitale le migliori possibilità di successo. La luce strutturata e la scansione 3D laser aiutano anche a superare un altro frequente ostacolo all'adozione dei gemelli digitali: il costo. Investire in tecnologie di imaging tradizionali insieme ad altre infrastrutture di gemellaggio digitale può costare fino a 1 milione di dollari.
Artec Space Spider crea il gemello digitale di un componente metallico complesso
Gli scanner portatili come il leggero e accessibile Artec Eva e l'innovativo Artec Leo, d'altra parte, sono ben al di sotto di quel prezzo e offrono agli utenti la possibilità di aggiornare le loro capacità man mano che le loro esigenze cambiano.
Un altro ostacolo è la mancanza di standardizzazione dei dati. Naturalmente, hai bisogno di una discreta quantità di dati per costruire un gemello digitale, ma non tutti i dati sono di facile accesso e possono essere disponibili in diversi formati. Allo stesso modo, i gemelli avranno diversi livelli di efficacia a seconda di dove vengono applicati e di fattori come il numero di passaggi tra i punti di raccolta dei dati.
Questi fattori possono rendere difficile valutare con precisione i vantaggi dei gemelli digitali. Tuttavia, le piattaforme come Artec Studio possono automatizzare l'elaborazione dei dati dei modelli per semplificare e accelerare l'acquisizione dei dati, prima di esportare i modelli nei formati più ampiamente accettati.
Punto Chiave
I progressi nella scansione 3D continuano ad accelerare il processo di gemellaggio digitale e a guidarne l'adozione in nuovi settori.
The future of Digital Twins
It’s clear that Digital Twin technology still has some barriers to overcome before it can truly disrupt mainstream manufacturing and facility or city planning workflows. However, it has already demonstrated that it can unlock production throughput and repeatability gains, as well as process efficiencies in wider planning applications, and it remains under constant R&D.
Twins are only getting easier to create and becoming more capable, and they may soon be able to proactively source data as part of IoT setups. This progress is happening in tandem with the emergence of more capable, versatile, and accessible 3D scanners, which are helping to broaden adoption across industries. Such technological leaps are seeing more and more multinationals conduct Digital Twin experiments, with telecoms giants like Nokia seeking out new ways to boost coverage and utilize the wealth of data at their disposal.
Outside of industrial applications, the term Digital Twins is also taking on new meanings – and being used not just to describe virtual copies of products, but other objects too. As the Metaverse – a new virtual reality in which people and businesses can coexist – continues to unfold, it’s still unclear what direction it will take. But as it grows, so does demand for digitized versions of real people, places, and items, meaning that it could well be the next new frontier for the growing Digital Twin market.
