Lo sforzo tecnologico dell’industria ha portato nel recente passato all’introduzione del concetto di Digital Twin (DT) che attualmente rappresenta l’attuale trend del processo industriale di innovazione. Un DT è un modello virtuale sviluppato e implementato per replicare un prodotto o un processo fisico in maniera accurata ed affidabile connesso ad un modello fisico per la condivisione di dati e informazioni in tempo reale. Il funzionamento di un DT si basa sull’utilizzo e la connessione di tre parti perfettamente distinguibili: asset fisico, modello digitale e piattaforma di comunicazione e trasferimento dati.
Gli asset del Digital Twin
In quanto modello di sistema multi-dominio e multi-fisico consente la previsione della risposta del sistema, il monitoraggio dei fenomeni a cui il sistema è soggetto e la valutazione dei parametri operativi, come le prestazioni, e la vita utile residua. Inoltre, fornisce supporto al processo di progettazione ma anche all'ottimizzazione del processo di progettazione e alla gestione degli asset. Può essere utilizzato per programmare la manutenzione poiché consente l'esplorazione di nuovi concetti di manutenzione come la manutenzione predittiva e basata sulle condizioni.
Il caso di studio del progetto LUBFORLIFE ha avuto come obiettivo finale l’integrazione di componenti etecnologie altamente innovativi in attuatori elettromeccanici a ricircolo di sfere, per il controllo di velivoli e UAV, che non necessitano di lubrificazione durante l’intera vita operativa. Quest’ultima, fondamentale per la sicurezza e la riduzione dei costi di manutenzione, ha richiesto una riprogettazione del sistema e dei sotto-sistemi al fine di salvaguardare le funzionalità e l’efficienza durante l’intera vita.
Un esempio di electromechanical actuator di Umbra Group
Nel suddetto contesto, EnginSoft ha sviluppato il modello di sistema attraverso un processo metodologico che rappresenta la base tecnica per la realizzazione di un Simulation Based Digital Twin. Il modello di sistema è stato utilizzato per creare un Digital Twin del sistema stesso e per sviluppare modelli predittivi di vita utile sfruttando anche modelli di ordine ridotto (ROM). L'obiettivo è stato quello di sviluppare un sistema virtuale in grado di replicare il comportamento di un attuatore elettromeccanico progettato a vita infinita in modo da migliorare la sicurezza, monitorare l'utilizzo, consentire un rapido processo decisionale e monitorare il carico a cui il sistema deve resistere.
La metodologia utilizzata durante l'implementazione si compone di 5 passaggi importanti:
Metodologia per lo sviluppo di un modello di sistema
La sfida tecnologia industriale riguardante lo sviluppo e l’implementazione di DT richiede considerevoli investimenti in termini di ore uomo e di risorse finanziarie da parte delle aziende. D’altro canto però, lo sviluppo di un DT rappresenta una proiezione verso il futuro dalla quale trarre benefici a livello tecnologico e commerciale. L’adozione del concetto di DT coinvolge molte altre tecnologie digitali e innovazioni che, a loro volta, possono configurarsi come fattori chiave per innescare un processo di innovazione e di business in aziendale.
Fra i diversi benefici, si possono indicare i più significativi:
Il modello digitale è utilizzabile come strumento tecnologico previsionale e predittivo. Tale capacità abilita la previsione dello stato futuro di asset reali la valutazione di eventuali criticità durante il normale funzionamento.
La possibilità di rilevare ed identificare determinate problematiche in anticipo consente l’esplorazione di nuove frontiere delle tecniche di manutenzione passando dalla ormai ben conosciuta Scheduled Maintenance (SM) alla Condition-Based (CBM) o Predictive Maintenance (PM). La gestione smart del processo di manutenzione rappresenta un vantaggio competitivo non solo dal punto di vista dei costi ma anche dei tempi e delle risorse tecniche normalmente utilizzate.
Nell’ambito del progetto di ricerca LUBFORLIFE, la possibilità di valutare lo stato dei singoli componenti in real-time permetterebbe un miglioramento della gestione dei costi di manutenzione di un velivolo dell’aviazione civile o di un UAV tra il 10% e il 20%. Infatti, il continuo monitoraggio del campo di temperatura sul sistema attuatore consente la stima del tasso di usura dei materiali isolanti nel motore elettrico e del degrado del materiale lubrificante e quindi l’adozione di programmi di manutenzione predittiva.
La simulazione numerica e la modellazione di sistema sono key-enablers di miglioramento continuo utilizzabili anche per il processo di design e pre-design. Infatti, il modello di digitale (calibrato e validato) può essere utilizzato in fase di pre-design per l’ottimizzazione delle prestazioni di un nuovo prodotto.
Il modello digitale dell’attuatore è stato parametrizzato a livello geometrico (dimensioni corpi volventi, diametro statore, ecc) e topologico (numero di spire, passo della filettatura, angolo del filetto, ecc). Tali parametri di input possono essere variati nell’ottica della riduzione del peso e degli ingombri, della minimizzazione dell’assorbimento elettrico e in generale della massimizzazione delle prestazioni elettromeccaniche.
Nell’ambito del progetto di ricerca, il miglioramento delle performance derivante da un’ottimizzazione pre-design è stato stimato nell’ordine del 30%. L’ottimizzazione in fase di pre-design risulta percorribile in modo rapido, modulabile e scalabile.
L’interazione con il DT è garantita da interfacce utente correttamente progettate con le quali è possibile condurre analisi di scenario (what-if analysis) per identificare le opportune correzioni da effettuare nella gestione del sistema reale al fine di massimizzarne le performance e la vita utile residua. In particolare per il progetto LUB4LIFE, i costi e tempi per la caratterizzazione dei lubrificanti e quelli di collaudo del prodotto assemblato, possono ridursi fra il 30 e 50%
Ormai in tutti i mercati e i settori industriali, i prodotti evolvono dalla progettazione concettuale al rilascio sul mercato in un lasso di tempo sempre più breve. Quindi, il tempo necessario per lo sviluppo è un fattore chiave per un nuovo prodotto e per il mantenimento del vantaggio competitivo rispetto ad altri attori del settore.
Il DT può svolgere un ruolo fondamentale nello sviluppo del prodotto e nella prototipazione rapida. Lo sviluppo di un modello virtuale parallelo rende il ciclo di sviluppo più lineare all’interno del contesto aziendale. La riduzione del time-to-market è resa possibile grazie alla velocizzata fase di prototipazione rapida e al miglioramento del processo di sviluppo. Grazie alla possibilità di effettuare analisi di scenario, in diverse condizioni operative, e di limitare il numero di test in fase di collaudo e sperimentazione, il DT consente la riduzione del tempo di inserimento sul mercato di un prodotto meccatronico tra il 20% al 50%.
Un ringraziamento va ai partner sostenitori che hanno reso possibile lo sviluppo del progetto di ricerca: