I “gemelli digitali” dei pneumatici, nuova frontiera produttiva

Da Castore e Polluce in poi, i gemelli hanno avuto un ruolo importante nella letteratura, nell’arte e nel mito. Gli avanzamenti tecnologici permettono ora di creare un “Twin digitale” di qualsiasi oggetto, pneumatici compresi, e questo “doppione” ha utilità insospettabili. L’industria dei pneumatici sta affrontando sfide complicate: aumento globale della domanda, approvvigionamenti di materie prime sotto pressione e spinte alla sostenibilità che comportano spinte sia verso una produzione ecologica sia nel settore del riciclo e del fine vita dei pneumatici stessi. Il diffondersi del ridesharing e il potenziamento delle flotte di consegna/logistica richiedono inoltre pneumatici più leggeri e resistenti per ottimizzare consumi e durata. Per i produttori di pneumatici, posti di fronte a queste sfide, sfruttare le nuove tecnologie, quali i gemelli digitali, probabilmente non è solo vantaggioso, ma anche imprescindibile.

 

Uguale ma digitale

Un Digital Twin, in estrema sintesi, è una replica digitale dinamica di un pneumatico, di una macchina o di un sistema di produzione che utilizza dati, analisi, simulazioni ed emulazioni complete per fornire una grande quantità di informazioni che possono essere usate per ottimizzare le prestazioni – di un prodotto, un macchinario o un processo produttivo – virtualmente, ossia agendo sul modello e non sull’oggetto o sul processo fisico. Utilizzando modelli virtuali, al posto di costose e difficili sperimentazioni e analisi fisiche, sarà quindi possibile progettare e testare nuove coperture più velocemente e con meno rischi, finanziari ma anche ambientali. Rockwell Automation cita l’esempio di un produttore di pneumatici che utilizza l’emulazione implementata sul gemello digitale per testare virtualmente il comportamento delle mescole create con ingredienti nuovi. Un’altra applicazione è il passaggio da progettazione, costruzione e test di prototipi fisici a un approccio più rapido e semplificato che utilizza i gemelli digitali e la simulazione.

 

Cosa c’è dietro un gemello digitale?

È rassicurante pensare di poter usare una replica digitale dinamica di un pneumatico che ne simula il comportamento, da solo o montato su un veicolo, durante il suo ciclo di vita e che possa anche indicare il decadimento prestazionale connesso all’invecchiamento. La tecnologia dei Digital Twins può essere usata vantaggiosamente anche per ideare e affinare le operazioni produttive, cosa che comporta vantaggi sia per i costruttori dei macchinari sia per i produttori dei pneumatici. Tutti questi vantaggi non sono però “gratis” ma presuppongono diverse, e sofisticate attività, sia a monte sia in corso d’opera. Occorre infatti preparare un modello matematico computerizzato (per esempio con il sistema degli elementi finiti) in modo da avere rappresentazioni digitali della composizione fisica e della geometria di un pneumatico. Michelin, per esempio, per preparare questo modello si avvale anche della collaborazione con la cattedra di matematica applicata della Laval University in Quebec mentre per i software si avvale dei contributi di Dassault Systèmes (che fornisce l’applicazione Abaqus), Siemens e altri. Il produttore francese ci tiene a sottolineare che usa una pluralità di software perché il ventaglio dei suoi prodotti – dalle coperture pesanti poche decine di grammi destinate alle biciclette a quelle da diverse tonnellate per l’industria mineraria – non potrebbe essere coperto da una sola applicazione; il “nucleo” dello strumento di progettazione è comunque sviluppato internamente. Questa primo modello si integra poi con uno che ne descrive le proprietà fisiche, quali lo scambio termico, le pressioni, le vibrazioni e le emissioni sonore. Per passare dal prodotto alla produzione occorre poi preparare modelli di processi di produzione e automazione che, emulando digitalmente i processi di produzione dei pneumatici, permettono di studiarli e migliorarli. La realtà estesa rappresenta digitalmente l’esperienza umana con i pneumatici e la loro produzione, comprendendo attività quali l’osservazione, la manipolazione, la manutenzione, le operazioni e le procedure di formazione del personale. Trasversale a queste attività è poi l’analisi dei dati, che vanno definiti, raccolti ed elaborati per passare dai dati grezzi alle informazioni e, ancora, al supporto delle decisioni. Questi dati derivano da sensori, sono eventualmente trasmessi per via telematica e riguardano il pneumatico così come il veicolo e gli asset produttivi, che sempre più spasso sono connessi secondo i dettami dell’Industria 4.0 e dell’Internet of Thing.

 

Digitale meglio del reale?

I Digital Twin si dimostrano molto utili per valutare l’opportunità di mercato per nuovi modelli di coperture. Il loro uso, per esempio, accelera lo sviluppo di pneumatici ad alte prestazioni, piuttosto difficili da sviluppare con la tradizionale sperimentazione fisica. Utilizzando l’intelligenza artificiale, per esempio, i dati del mondo reale sulle materie prime possono essere combinati con quelli frutto di analisi evolute, consentendo ai ricercatori di prevedere più accuratamente le proprietà delle mescole prima ancora di produrle e usarle. Un altro caso concreto riguarda un noto produttore di pneumatici che ha usato l’emulazione del gemello digitale per selezionare, fra varie mescole fatte di diversi materiali, quella migliore per un certo prodotto. In questo modo si è potuta sviluppare una copertura speciale per veicoli ibridi che evidenziava una diminuzione del 30% della resistenza al rotolamento senza compromettere le proprietà rilevanti per la sicurezza. I gemelli digitali migliorano anche il processo di test, una fase essenziale della pre-produzione che stabilizza i processi operativi, di servizio e di supporto. La razionalizzazione dell’approccio alla progettazione, costruzione e test di prototipi fisici utilizzando un gemello digitale consente agli ingegneri di sfruttare simulazioni evolute per ridurre le spese di costruzione e test di pre-produzione fino al 25%, senza contare il risparmio di energia e materie prime reso possibile dalla diminuzione del numero dei prototipi fisici necessario. L’esperienza di Pirelli, che usa un avanzato simulatore prodotto dallo specialista VI-grade (è lo stesso fornitore di Maserati e diversi altri marchi premium) va in questa direzione. Il simulatore è dotato di uno schermo panoramico, esteso su 210 gradi con 7,5 metri di diametro e che riproduce diverse condizioni di guida, proiettando scenari quali strade e circuiti per le gare. Al centro è posizionato il modello di un’automobile dotata di varie tecnologie che, tramite vibrazioni e movimenti di sedile, volante, e cinture di sicurezza oltre a diversi sistemi di scuotimento che replicano con precisione le sensazioni del movimento dell’automobile.

 

Arriva l’automobile “in scatola”

Pirelli usa quest’apparecchiatura per far “girare” il modello virtuale del pneumatico, studiando le forze che si creano, il grip, l’attrito di rotolamento, il comportamento al limite e altre caratteristiche. Per tener conto del fatto che il comportamento di una copertura varia a seconda dell’automobile sulla quale è montata, si usa il Digital Twin della vettura che viene inserito nel simulatore insieme a quello del pneumatico. Esso è in una “scatola” che contiene dati criptati per motivi di brevetti e riservatezza; lo scambio dei dati avviene con protocolli condivisi. Pirelli ha dichiarato di aver ottenuto una riduzione del 30% dei tempi medi di sviluppo dei nuovi pneumatici, sia per la strada sia per il motorsport, grazie a una valutazione più rapida dei prototipi virtuali prodotti per diversi modelli di auto. La flessibilità di questo modo di procedere è tale che il lavoro di progettazione e sviluppo congiunto può essere eseguito anche sul simulatore del produttore del veicolo e questo porta ad avere tempi di sviluppo dei pneumatici sincronizzati con quelli delle auto a cui sono destinati. Lavorare sui pneumatici virtuali consente inoltre di sviluppare una sensoristica per pneumatici connessi che consente a una flotta di trasporto di ottenere sostanziali miglioramenti riguardo i problemi legati alle coperture.

 

Vantaggi sostanziali anche per la fase produttiva

La già citata fase di modellazione, verifica e ottimizzazione dei processi produttivi tramite i gemelli digitali degli impianti può portare miglioramenti anche in questo ambito. Un produttore di pneumatici, ottimizzando con le simulazioni la messa a punto di macchinari più avanzati, ha visto la sua produzione salire di più di mezzo milione di pneumatici l’anno. I risultati dell’adozione del digital twin e dell’apprendimento automatico sono stati significativi, con una riduzione di circa il 45% dei tempi di fermo macchina e un conseguente e sostanzioso aumento della produzione. Dal punto di vista dei costruttori degli impianti di produzione dei pneumatici, i gemelli digitali possono essere anche un potente strumento commerciale. I disegni e le brochure possono arrivare fino a un certo punto ma riuscire a mostrare come funzionerà quella macchina nello stabilimento di un potenziale cliente è un cambio di marcia notevole. Un modello 3D potrà mostrare al potenziale cliente il funzionamento di una macchina in un ambiente virtuale ma si può pensare anche all’uso con un visore per la realtà aumentata che permetterà un’interazione virtuale con il macchinario prima ancora che l’attrezzatura fisica venga installata. Il gemello digitale consente inoltre una sorta di “messa in servizio virtuale”: prima di costruire la macchina fisica si possono testare i controlli e i processi sul modello digitale che si comporterà proprio come la macchina reale. Quando sarà il momento di installare l’impianto “vero” ci si dovrà quindi confrontare con un minor numero di imprevisti, con minori perdite di tempo in fase di avviamento del processo produttivo.