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Tecnologie Digital Twin

Digital twin

Un gemello digitale è una rappresentazione virtuale di un prodotto o di un processo fisico, utilizzata per comprendere e prevedere le caratteristiche prestazionali della controparte fisica. I gemelli digitali vengono utilizzati per simulare, prevedere e ottimizzare il prodotto e il sistema di produzione prima di investire in prototipi fisici.

Che cos'è un gemello digitale?

Un gemello digitale è una rappresentazione virtuale o una controparte digitale di un oggetto, di un sistema o di un processo fisico. Viene creato utilizzando dati in tempo reale, tecniche di simulazione e modellazione per rispecchiare il comportamento, le caratteristiche e le prestazioni della sua controparte fisica. I gemelli digitali sono utilizzati in vari settori, tra cui quello manifatturiero, sanitario, dei trasporti e dell'energia, per ottimizzare le prestazioni, monitorare le operazioni e facilitare il processo decisionale.

Prodotti correlati: NX CAD | Software di simulazione Simcenter | Solid Edge

Digital twin of new jet design.

Caratteristiche principali dei gemelli digitali

Integrazione dei dati in tempo reale:

I gemelli digitali vengono continuamente aggiornati con dati in tempo reale provenienti da sensori, dispositivi IoT e altre fonti, fornendo una rappresentazione accurata dell'asset fisico o del sistema in qualsiasi momento.

Simulazione e modellazione:

I gemelli digitali spesso incorporano tecniche di simulazione e modellazione per simulare il comportamento e le prestazioni dell'asset fisico o del sistema in condizioni diverse. Ciò consente l'analisi predittiva, l'ottimizzazione e la pianificazione degli scenari.

Comunicazione bidirezionale:

I gemelli digitali consentono la comunicazione bidirezionale tra il modello virtuale e la sua controparte fisica. Ciò significa che i dati e le informazioni del gemello digitale possono informare le decisioni e le azioni nel mondo fisico e viceversa.

Monitoraggio e controllo:

I gemelli digitali consentono il monitoraggio e il controllo in tempo reale dell'asset fisico o del sistema da un ambiente virtuale. Ciò consente il monitoraggio remoto, la diagnostica e la manutenzione predittiva per ottimizzare le prestazioni e ridurre i tempi di inattività.

Gestione del ciclo di vita:

I gemelli digitali supportano l'intero ciclo di vita di un prodotto o di un sistema, dalla progettazione e sviluppo al funzionamento e alla manutenzione. Possono essere utilizzati per la convalida del progetto, il collaudo, la formazione e persino lo smantellamento.

Ambiente collaborativo:

I gemelli digitali facilitano la collaborazione tra le diverse parti interessate, come ingegneri, operatori e personale di manutenzione, fornendo una piattaforma comune per la condivisione dei dati, l'analisi e il processo decisionale.

Esempi di gemelli digitali nel settore

Produzione:

I gemelli digitali dei processi e delle apparecchiature di produzione possono ottimizzare i programmi di produzione, prevedere i guasti delle apparecchiature e migliorare l'efficienza complessiva.

Città intelligenti:

I gemelli digitali delle infrastrutture urbane, come le reti di trasporto e i servizi pubblici, possono ottimizzare il flusso del traffico, gestire il consumo energetico e migliorare i servizi pubblici.

Assistenza sanitaria:

I gemelli digitali della fisiologia del paziente e dei dispositivi medici possono supportare piani di trattamento personalizzati, monitorare le metriche sanitarie da remoto e simulare procedure chirurgiche.

Energia:

I gemelli digitali delle centrali elettriche e dei sistemi di energia rinnovabile possono ottimizzare la produzione di energia, prevedere i guasti delle apparecchiature e gestire la stabilità della rete.

Nel complesso, i gemelli digitali offrono un potente framework per ottenere informazioni, ottimizzare le prestazioni e promuovere l'innovazione in vari settori, colmando il divario tra il mondo fisico e quello digitale.

Incorporando funzionalità di simulazione multifisica, analisi dei dati e apprendimento automatico, i gemelli digitali sono in grado di dimostrare l'impatto delle modifiche di progettazione, degli scenari di utilizzo, delle condizioni ambientali e di altre infinite variabili, eliminando la necessità di prototipi fisici, riducendo i tempi di sviluppo e migliorando la qualità del prodotto o del processo finalizzato.

Per garantire una modellazione accurata per l'intero ciclo di vita di un prodotto o della sua produzione, i gemelli digitali utilizzano i dati provenienti dai sensori installati sugli oggetti fisici per determinare le prestazioni in tempo reale degli oggetti, le condizioni operative e i cambiamenti nel tempo. Utilizzando questi dati, il gemello digitale si evolve e si aggiorna continuamente per riflettere qualsiasi modifica alla controparte fisica durante il ciclo di vita del prodotto, creando un ciclo chiuso di feedback in un ambiente virtuale che consente alle aziende di ottimizzare continuamente i propri prodotti, la produzione e le prestazioni a costi minimi.

Le potenziali applicazioni di un gemello digitale dipendono dalla fase del ciclo di vita del prodotto che modella. In generale, esistono tre tipi di gemelli digitali: Prodotto, Produzione e Prestazioni, che sono spiegati di seguito. La combinazione e l'integrazione dei tre gemelli digitali che si evolvono insieme è nota come digital thread. Il termine "thread" viene utilizzato perché è intrecciato e riunisce i dati provenienti da tutte le fasi del ciclo di vita del prodotto e della produzione.

Tre tipi di gemelli digitali

  1. Il prodotto digitale vince: I gemelli digitali di prodotto replicano i prodotti fisici in forma digitale. Sono utilizzati nella progettazione, nei test e nella simulazione dei prodotti. I gemelli digitali di prodotto aiutano ingegneri e progettisti ad analizzare le prestazioni di un prodotto in condizioni diverse, consentendo loro di ottimizzarne la progettazione e la funzionalità prima dell'inizio della produzione fisica.
  2. Elaborare i gemelli digitali: I gemelli digitali di processo simulano e analizzano il comportamento di processi o sistemi fisici. Vengono utilizzati per monitorare, controllare e ottimizzare le operazioni di sistemi complessi come impianti di produzione, catene di approvvigionamento e reti energetiche. I gemelli digitali di processo consentono alle organizzazioni di visualizzare, simulare e analizzare i processi in tempo reale, facilitando un migliore processo decisionale e l'ottimizzazione delle prestazioni.
  3. Gemelli digitali di sistema: I gemelli digitali di sistema replicano interi sistemi o ecosistemi in un ambiente digitale. Integrano più gemelli digitali di prodotti, processi e altri componenti per simulare in modo completo il comportamento di sistemi complessi. I gemelli digitali di sistema vengono utilizzati per modellare e analizzare sistemi su larga scala come città intelligenti, reti di trasporto e complessi industriali.

Il Digital Twin nel CAD e nei software di simulazione

La modellazione dei gemelli digitali può far parte sia del software CAD (Computer-Aided Design) che del software di simulazione, a seconda delle funzionalità e delle capacità specifiche del software in questione.

  1. Software CAD

    Il software CAD viene utilizzato principalmente per la creazione di modelli 3D dettagliati di oggetti o sistemi fisici. Nel contesto dei gemelli digitali, il software CAD può essere utilizzato per creare la rappresentazione virtuale o la geometria dell'asset fisico. Ciò include la modellazione della geometria, della struttura, dei componenti e degli assiemi dell'oggetto fisico. Il software CAD si concentra in genere sulla rappresentazione geometrica e sull'intento progettuale, consentendo agli ingegneri di creare modelli virtuali accurati di prodotti o sistemi.

  2. Software di simulazione

    Il software di simulazione, d'altra parte, viene utilizzato per simulare il comportamento e le prestazioni dei sistemi fisici in varie condizioni. Il software di simulazione può incorporare la modellazione del gemello digitale integrando dati in tempo reale, modelli basati sulla fisica e tecniche di simulazione per creare una rappresentazione virtuale dell'asset fisico. Ciò include la simulazione del comportamento dinamico, delle interazioni e delle caratteristiche prestazionali del sistema fisico. Il software di simulazione si concentra sull'analisi e sulla previsione del comportamento del sistema in base ai principi fisici sottostanti.

In pratica, la modellazione dei gemelli digitali comporta spesso una combinazione di software CAD e software di simulazione. Il software CAD viene utilizzato per creare la rappresentazione geometrica dell'asset fisico, mentre il software di simulazione viene utilizzato per simulare il comportamento e le prestazioni del gemello digitale. L'integrazione tra CAD e software di simulazione consente agli ingegneri di creare gemelli digitali completi che rappresentano accuratamente il sistema fisico e il suo comportamento dinamico. Inoltre, alcune piattaforme software offrono soluzioni integrate che combinano funzionalità CAD e di simulazione in un'unica piattaforma, consentendo agli utenti di passare senza problemi dalla progettazione all'analisi all'interno dello stesso ambiente. Queste soluzioni integrate consentono agli ingegneri di creare, simulare e ottimizzare i gemelli digitali in modo più efficiente ed efficace.

Sia il software CAD Siemens NX che il software CAD Siemens Solid Edge offrono soluzioni integrate che combinano funzionalità CAD e di simulazione. NX è una suite software completa sviluppata da Siemens Digital Industries Software, che include funzionalità avanzate CAD, CAM (Computer-Aided Manufacturing), CAE (Computer-Aided Engineering) e PLM (Product Lifecycle Management). All'interno dell'ecosistema NX, sono disponibili soluzioni integrate che consentono una transizione fluida dalla progettazione CAD all'analisi di simulazione: Solid Edge è una suite completa di strumenti software CAD sviluppata da Siemens Digital Industries Software, progettata principalmente per la progettazione, la modellazione, il disegno e la gestione degli assemblaggi dei prodotti. All'interno dell'ecosistema Solid Edge, esistono soluzioni integrate che facilitano una transizione fluida dalla progettazione CAD all'analisi di simulazione:

CAD NX

NX CAD fornisce potenti strumenti per la modellazione 3D, la progettazione di assiemi, il disegno e la visualizzazione. Gli ingegneri possono creare modelli geometrici dettagliati di prodotti e sistemi utilizzando l'ambiente ricco di funzionalità di NX CAD. Questo funge da base per la modellazione dei gemelli digitali all'interno dell'ecosistema NX. NX CAE: NX CAE (Computer-Aided Engineering) è il modulo di simulazione e analisi di NX, che offre un'ampia gamma di funzionalità per simulazioni strutturali, termiche, fluidodinamiche, di movimento e multifisiche. NX CAE consente agli ingegneri di simulare il comportamento e le prestazioni dei gemelli digitali in varie condizioni operative e scenari di carico.

Ambiente di simulazione integrato:

NX fornisce un ambiente di simulazione integrato in cui gli ingegneri possono trasferire senza problemi la geometria CAD a NX CAE per l'analisi. Questa integrazione semplifica il flusso di lavoro di simulazione, consentendo agli ingegneri di eseguire la convalida, l'ottimizzazione e l'analisi del progetto all'interno della stessa piattaforma software.

Simulazione multifisica

NX offre funzionalità di simulazione multifisica che consentono agli ingegneri di simulare le interazioni tra diversi fenomeni fisici, come la meccanica strutturale, la fluidodinamica, la gestione termica e gli effetti elettromagnetici. Ciò consente un'analisi completa dei gemelli digitali che coinvolgono più domini fisici.

Ottimizzazione della progettazione

NX include strumenti per l'ottimizzazione della progettazione e l'analisi della sensibilità, consentendo agli ingegneri di esplorare alternative di progettazione, migliorare le prestazioni e raggiungere gli obiettivi di progettazione. Le modifiche di progettazione apportate in CAD possono essere aggiornate automaticamente nel modello di simulazione, garantendo coerenza e precisione durante tutto il processo di progettazione.

Nel complesso, il software CAD Siemens fornisce soluzioni integrate che combinano funzionalità CAD e di simulazione, consentendo agli ingegneri di creare, simulare e ottimizzare i gemelli digitali in modo più efficiente ed efficace. Questa integrazione migliora la collaborazione, semplifica i flussi di lavoro e accelera lo sviluppo dei prodotti in vari settori.

Il gemello digitale eseguibile (xDT)

A differenza dei gemelli digitali tradizionali, che vengono utilizzati principalmente per il monitoraggio e l'analisi, i gemelli digitali eseguibili sono modelli attivi e dinamici in grado di rispondere agli input, simulare scenari e prendere decisioni in modo autonomo o con l'intervento umano. Il gemello digitale eseguibile (o xDT). In parole povere, l'xDT è il gemello digitale su un chip. L'xDT utilizza i dati provenienti da un numero (relativamente) piccolo di sensori incorporati nel prodotto fisico per eseguire simulazioni in tempo reale utilizzando modelli di ordine ridotto. Da quel piccolo numero di sensori, può prevedere lo stato fisico in qualsiasi punto dell'oggetto, anche in luoghi in cui sarebbe impossibile posizionare i sensori.

Infographic of multiple laptops connecting each other representing the end-to-end process in executable Digital Twin (xDT).

Caratteristiche principali dei gemelli digitali eseguibili

Simulazione e interazione in tempo reale

I gemelli digitali eseguibili (xDT) sono in grado di simulare il comportamento e le prestazioni dell'asset fisico o del sistema in tempo reale. Possono rispondere agli input, simulare diverse condizioni operative e interagire dinamicamente con sistemi o utenti esterni.

Autonomia e processo decisionale

I gemelli digitali eseguibili (xDT) possono prendere decisioni in modo autonomo sulla base di regole, algoritmi o modelli di apprendimento automatico predefiniti. Possono analizzare i dati, prevedere i risultati e intraprendere azioni per ottimizzare le prestazioni o rispondere a condizioni mutevoli.

Controllo ad anello chiuso

I gemelli digitali eseguibili (xDT) operano spesso in un sistema di controllo a circuito chiuso, in cui i dati in tempo reale provenienti da sensori e attuatori vengono reimmessi nel modello virtuale per regolare i parametri, ottimizzare le prestazioni e mantenere le condizioni operative desiderate.

Analisi predittiva e ottimizzazione:

I gemelli digitali eseguibili (xDT) utilizzano l'analisi predittiva e le tecniche di ottimizzazione per prevedere il comportamento futuro, identificare potenziali problemi o opportunità e consigliare azioni per migliorare le prestazioni o mitigare i rischi.

Integrazione con tecnologie IoT e AI

I gemelli digitali eseguibili (xDT) sfruttano i sensori dell'Internet of Things (IoT), la connettività e gli algoritmi di intelligenza artificiale (AI) per raccogliere dati in tempo reale, analizzare modelli complessi e prendere decisioni informate. Possono anche incorporare modelli di apprendimento automatico per il comportamento adattivo e il miglioramento continuo.

Adattamento dinamico e apprendimento

I gemelli digitali eseguibili (xDT) sono in grado di imparare dall'esperienza e di adattarsi ai cambiamenti dell'ambiente o delle condizioni operative nel tempo. Possono aggiornare continuamente i loro modelli, parametri e strategie sulla base di nuovi dati e feedback.

I gemelli digitali eseguibili trovano applicazioni in vari settori, tra cui quello manifatturiero, energetico, dei trasporti, sanitario e delle città intelligenti. Consentono la manutenzione predittiva, il funzionamento autonomo, l'ottimizzazione dei processi e il supporto decisionale in sistemi complessi in cui il monitoraggio e il controllo in tempo reale sono fondamentali. Nel complesso, i gemelli digitali eseguibili rappresentano la prossima evoluzione della tecnologia dei gemelli digitali, offrendo funzionalità avanzate per la simulazione in tempo reale, il processo decisionale e l'ottimizzazione di asset e sistemi fisici. Un gemello digitale eseguibile è una forma avanzata di gemello digitale che non solo rappresenta una replica virtuale di un asset o di un sistema fisico, ma ha anche la capacità di eseguire, simulare e interagire con il modello virtuale in tempo reale.

L'xDT è basato sulla fisica

Un gemello digitale eseguibile basato sulla fisica si basa su modelli matematici che descrivono il comportamento fisico del sistema replicato. Questi modelli sono in genere basati su principi fondamentali della fisica, come la meccanica, la termodinamica, la fluidodinamica, l'elettromagnetismo e così via. Risolvendo le equazioni che governano questi fenomeni fisici, il gemello digitale può simulare il comportamento del sistema del mondo reale in un ambiente virtuale. Caratteristiche di un gemello digitale eseguibile basato sulla fisica

Modelli basati sulla fisica

Il gemello digitale incorpora modelli basati sulla fisica che rappresentano accuratamente il comportamento del sistema fisico. Questi modelli possono includere equazioni che descrivono il movimento, il trasferimento di calore, il flusso dei fluidi, i circuiti elettrici, la meccanica strutturale e altri fenomeni fisici rilevanti per il sistema modellato.

Simulazione di processi fisici

Il gemello digitale simula i processi fisici e le interazioni all'interno del sistema utilizzando modelli basati sulla fisica. Ciò consente di prevedere come si comporterà il sistema in diverse condizioni operative, input e scenari.

Simulazione in tempo reale

Un gemello digitale eseguibile basato su modelli fisici può simulare il comportamento del sistema fisico in tempo reale o quasi in tempo reale. Ciò consente un'interazione dinamica e un processo decisionale basato sullo stato attuale del sistema e del suo ambiente.

Controllo ad anello chiuso

I gemelli digitali eseguibili basati sulla fisica operano spesso in un sistema di controllo a circuito chiuso, in cui i dati in tempo reale provenienti da sensori e attuatori vengono utilizzati per regolare i parametri di simulazione e controllare il comportamento del modello virtuale. Ciò consente al gemello digitale di mantenere le condizioni operative desiderate e ottimizzare le prestazioni.

Validazione e verifica

I modelli basati sulla fisica utilizzati nei gemelli digitali eseguibili devono essere convalidati e verificati per garantirne l'accuratezza e l'affidabilità. Ciò comporta il confronto dei risultati della simulazione con le misurazioni del mondo reale e i dati sperimentali per confermare che il gemello digitale rappresenti accuratamente il sistema fisico.

Sebbene la modellazione basata sulla fisica sia comunemente utilizzata nei gemelli digitali eseguibili, è importante notare che possono essere impiegati anche altri approcci di modellazione, come la modellazione basata sui dati, i modelli empirici o i modelli ibridi che combinano la fisica e le tecniche basate sui dati, a seconda dei requisiti e dei vincoli specifici dell'applicazione.

Siemens Simcenter

Il software Simcenter™ combina in modo unico la simulazione del sistema, il CAE 3D e i test per aiutarti a prevedere le prestazioni di tutti gli attributi critici in anticipo e durante l'intero ciclo di vita del prodotto. Abbinando simulazioni basate sulla fisica a informazioni ricavate dall'analisi dei dati, Simcenter permette di ottimizzare, progettare e offrire innovazioni in tempi più rapidi e con maggior fiducia.

Oggi i reparti di progettazione devono sviluppare prodotti intelligenti in grado di integrare funzioni meccaniche con elettronica e controlli, utilizzare nuovi materiali e metodi di produzione e fornire nuovi design entro cicli di progettazione sempre più brevi. Ciò richiede che le attuali pratiche di progettazione per la verifica delle prestazioni del prodotto si evolvano in un approccio Digital Twin, che consente di seguire un processo più predittivo per lo sviluppo di prodotti basati sui sistemi.

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