Gemelli digitali (Digital Twin) e stampa 3D: tutto quello che c’è da sapere

Hai mai sentito parlare di gemelli digitali? L’idea è stata sviluppata per la prima volta negli anni Sessanta per la missione Apollo, che portò l’uomo sulla Luna, al fine di creare un modello del veicolo con parti digitali per valutarne il funzionamento e il fallimento. Da allora la tecnologia si è sviluppata, ma l’essenza rimane la stessa. In sostanza, un gemello digitale è un modello virtuale progettato specificamente per riflettere con precisione un oggetto fisico. Non solo, ma secondo l’azienda tecnologica IBM, un gemello digitale può essere considerato come “una rappresentazione virtuale di un oggetto o di un sistema che abbraccia il suo ciclo di vita, viene aggiornato da dati in tempo reale e utilizza la simulazione, l’apprendimento automatico e il ragionamento per aiutare il processo decisionale”. Anche se spesso viene confuso con il processo di modellazione 3D, il gemello digitale è molto di più. L’uso di algoritmi e operazioni matematiche nei gemelli digitali è una parte importante per consentire agli utenti di prevedere il comportamento delle parti, come quelle realizzate con la produzione additiva.

I gemelli digitali hanno trovato posto in una varietà di applicazioni, dal settore manifatturiero a quello medico, fino alla progettazione di interni. Inoltre, sono sempre più utilizzati nella produzione additiva. Questo non sorprende se si considera che, secondo Markets and Markets, il mercato dei gemelli digitali aveva già un valore stimato di 6,9 miliardi di dollari nel 2022 e crescerà fino a circa 73,5 miliardi di dollari entro il 2027. Ma perché usare i gemelli digitali nella stampa 3D? Cosa bisogna sapere prima di farlo? Abbiamo approfondito il tema.

I gemelli digitali sono sempre più utilizzati nell’ambito dell’Industria 5.0 (foto: GE)

Utilizzo dei gemelli digitali nella stampa 3D

I gemelli digitali e la produzione additiva hanno entrambi un ruolo chiave nell’Industria 5.0. La produzione additiva è per sua natura digitale: dalla progettazione online al software di slicing, fino ai programmi che monitorano l’intero processo di stampa, l’automazione e l’IA hanno già il loro posto nell’additive manufacturing proprio per questo motivo. I gemelli digitali sono un ulteriore strumento utile nel processo di stampa 3D.

Ma come si usano? Come già detto, un gemello digitale nasce come modello 3D. Questo può essere realizzato tramite software CAD o di progettazione generativa. Inoltre, si ricorre sempre più spesso alla scansione 3D, che crea un modello perfetto della parte in questione. Al di là della progettazione iniziale, sono già disponibili sul mercato numerosi programmi software progettati appositamente per lavorare con i gemelli digitali, anche per la stampa 3D. Si pensi ad esempio a quelli di Siemens, Simio o Netfabb o ai software che usano i gemelli digitali per il reverse engineering.

Infine, è necessario considerare che i gemelli digitali possono assumere diverse forme. Possono essere suddivisi in quattro categorie per la produzione additiva: gemelli digitali di processo, gemelli digitali di parti, gemelli digitali di prodotti e gemelli digitali di sistemi. Come suggerisce il nome, si rivolgono a diverse aree del processo produttivo. I gemelli digitali di processo possono essere utilizzati per replicare una versione digitale del processo di stampa 3D per la progettazione, la produzione e la manutenzione. Allo stesso modo, i gemelli digitali delle parti possono replicare le parti di stampanti, fornendo informazioni importanti per la manutenzione. I gemelli digitali di sistemi sono un mix dei primi due, ma su scala più ampia, prendendo in considerazione l’intero stabilimento. Infine, i gemelli digitali di prodotto sono rappresentazioni di un prodotto (composto da più parti) che consentono di ottimizzarlo, testarlo, progettarlo e analizzarlo per prevederne le prestazioni.

Una rappresentazione del funzionamento dei gemelli digitali con la stampa 3D (crediti fotografici: Zhang, Li, Xiaoqi Chen, Wei Zhou, Taobo Cheng, Lijia Chen, Zhen Guo, Bing Han e Longxing Lu)

Perché utilizzare i gemelli digitali nella produzione additiva?

La combinazione di gemelli digitali e stampa 3D offre numerosi vantaggi. In particolare per quanto riguarda il controllo di qualità dei pezzi. La produzione additiva è cambiata molto rispetto alle sue origini, perlopiù legate alla prototipazione rapida, dunque con l’arrivo sul mercato di un numero sempre maggiore di pezzi destinati all’uso finale, il controllo qualità diventa fondamentale. In effetti, per la sua stessa natura, la stampa 3D richiede spesso test approfonditi per garantire parametri corretti e prevenire errori di stampa. Ma questo è in diretto contrasto con due dei maggiori vantaggi della stampa 3D, ovvero la riduzione dei costi e dei materiali.

Fortunatamente, grazie all’uso dei gemelli digitali, questo problema può essere risolto. I gemelli digitali permettono agli utenti di valutare direttamente i parametri grazie al flusso continuo di dati che si ottiene dal feedback. Ciò consente a sua volta di ottimizzare tali parametri senza dover ricorrere a test fisici. Inoltre, con i gemelli digitali è possibile monitorare in tempo reale l’intero processo di stampa 3D, consentendo una precisione ancora maggiore per le stampe finali. Ciò rende più affidabile il controllo di qualità per la produzione additiva. Ciò è particolarmente importante quando si tratta di processi industriali, come la stampa 3D dei metalli attraverso metodi come il processo LPBF.

Inoltre, come già detto, i gemelli digitali non sono utilizzati solo per singole parti o prodotti, ma possono essere realizzati per monitorare un intero stabilimento. Questo può rappresentare un grande vantaggio, in quanto le aziende produttrici di stampanti 3D potrebbero così ottimizzate la loro intera catena produttiva.

Ciò non significa che non ci siano ancora sfide da affrontare. L’effettiva definizione e lo sviluppo di un gemello digitale sono ancora piuttosto complessi. Tuttavia, più i gemelli digitali e la stampa 3D verranno utilizzati insieme, più rapidamente questo ostacolo verrà superato. E questo sta già accadendo su larga scala, soprattutto con l’aumento dell’uso dell’IA e di strumenti più sofisticati per l’apprendimento automatico. Sarà sicuramente interessante vedere come i gemelli digitali e la stampa 3D verranno utilizzati insieme in futuro e come contribuiranno a far avanzare il settore.

Gemelli digitali di turbine (crediti fotografici: Konica Minolta).

Cosa ne pensi dell’uso dei gemelli digitali nella stampa 3D? Condividi la tua opinione sui nostri social Facebook e LinkedIn. Trovi tutti i nostri video sul nostro canale YouTube! Non dimenticare di iscriverti alla nostra Newsletter settimanale per ricevere tutte le notizie sulla stampa 3D direttamente nella casella di posta!

*Crediti fotografici di copertina: Norlà Corporation