Internet rzeczy (IoT), możliwość śledzenia towarów i digitalizacja produkcji pozwalają na całościowe zarządzanie cyklem życia produktów na rynku. Projektowanie i prototypowanie z wykorzystaniem cyfrowych bliźniaków jest jednym z elementów tego procesu i pozwala na sprawniejsze dostosowywanie ich do potrzeb klientów. Koncepcja ta nie jest nowa – trójwymiarowe modele wykorzystuje się przy projektowaniu wspomaganym komputerowo (CAD) od ponad 30 lat. Dopiero jednak po 2000 r. zaczęto używać takich określeń jak cyfrowy prototyp, cyfrowa klasa lub cyfrowa kopia (Digital Twin Prototype, Digital Twin Class, Digital Twin Blueprint), zwłaszcza przy projektowaniu złożonych systemów, np. statków kosmicznych NASA. Postęp w technologiach informatycznych i wzrost mocy obliczeniowej pozwoliły na prowadzenie skomplikowanych symulacji zachowania się obiektów w środowiskach wirtualnych. Obecnie technologie te są dostępne również dla mniejszych firm i biur projektowych, m.in. dzięki wykorzystaniu chmury obliczeniowej i dystrybucji oprogramowania w systemie Software as a Service (SaaS), czyli jako usługi.

Firma analityczna Gartner przewiduje, że do 2021 r. połowa dużych przedsiębiorstw przemysłowych będzie korzystała z cyfrowych bliźniaków, co pozwoli im podnieść efektywność o 10%. Natomiast w opracowaniu „Future-Scape: Worldwide IoT 2018 Predictions”, przygotowanym przez IDC, analitycy, biorąc pod uwagę rozwój technologii IoT i jej związek z tworzeniem oraz wykorzystaniem cyfrowych bliźniaków, przewidują, że w 2020 r. o 30% wzrośnie – w stosunku do roku 2000 – liczba firm, które będą wykorzystywały dane pozyskiwane z wirtualnie odwzorowanych obiektów. Ma to w ich ocenie poprawić wskaźniki związane z wprowadzaniem innowacyjnych produktów oraz wydajnością całych organizacji, podnosząc ich zyski nawet o 25%. Jeśli jednak przedsiębiorstwa chcą te możliwości w pełni wykorzystać, muszą opracować nowe modele ekonomiczne i biznesowe.

Użyteczna kopia rzeczywistości

Praktycznie w każdej dziedzinie można wykorzystać technologie związane z cyfrowym odwzorowaniem rzeczywistości. Przewiduje się, że w przyszłości wszystko, co nas otacza, będzie miało swój odpowiednik w postaci kopii cyfrowej i zostanie z nią dynamicznie powiązane. Pozwoli to na prowadzenie zaawansowanych symulacji i działań poprawiających funkcjonalność wielu urządzeń, produktów i usług.

Cyfrowy bliźniak sprawdza się np. przy obsłudze i serwisowaniu produktów, zwłaszcza gdy wizualizowane są jako grafika CAD w 3D. Wykorzystuje się to w procesach wirtualizacji i przy zastosowaniu rozszerzonej rzeczywistości. Pracownik prowadzący montaż, przegląd lub naprawę może bezpośrednio użyć dokładnych informacji oraz instrukcji w czasie rzeczywistym i zweryfikować wykonywaną pracę. System wskaże mu, jaki element powinien sprawdzić, przedstawi jego położenie, poinformuje, czy potrzebne są do tego narzędzia, części zamienne, i podpowie, jakie. Jeśli na różnych etapach – począwszy od prac projektowych, poprzez testowanie, produkcję i dystrybucję, po serwisowanie – korzysta się z tego samego cyfrowego odwzorowania produktu, to serwisant może na nim np. oznaczyć element, do którego jest utrudniony dostęp, który sprawia kłopoty w naprawie itd. Takie informacje zwrotne można następnie wykorzystać do poprawienia, udoskonalenia produktu.

W każdej dziedzinie można dziś wykorzystać technologie związane z cyfrowym odwzorowaniem rzeczywistości

Specjaliści podkreślają, że utrzymywanie cyfrowych reprezentacji aktywów na jednej zintegrowanej platformie zwiększa wydajność pracowników, dostarczając im informacje m.in. o stanie produktu, jego diagnostyce i częściach zamiennych. Jan Larson i S. Ravi Shankar z Siemensa w eksperckim artykule omawiającym wykorzystanie cyfrowego bliźniaka produktu zwracają uwagę, że modele 1D ułatwiają wybór najlepszej architektury systemu wielofizycznego, modele 3D pomagają w projektowaniu detali, a testowanie pozwala na bardziej realistyczne modelowanie. Połączenie tych technologii jest podstawą podejmowania trafniejszych decyzji dotyczących konkretnego projektu. Jak dodają, obecnie większość producentów chce pracować z modelami 3D CAD i śledzić zmiany w nich w całym cyklu życia produktu. Jednak, żeby reagować na takie tendencje jak przejście od urządzeń mechanicznych do urządzeń integrujących właściwości elektryczne i mechaniczne, konieczne jest spójne podejście do inżynierii produktu, łączące potrzebne dane i modele. Zakres korzystania z narzędzi do zarządzania cyklem życia produktu (PLM) musi wyjść poza śledzenie oraz dane CAD i objąć symulację funkcjonowania produktu, zagadnienia inżynieryjne oraz weryfikację w ramach tego samego systemu.

Specjaliści zauważają też, że coraz więcej produktów jest dziś wyposażonych w czujniki, które mogą gromadzić rozmaite dane. Jeśli dzięki oprogramowaniu wykorzysta się je do dalszego ulepszania produktu nawet po rozpoczęciu jego sprzedaży, to można ograniczyć koszty masowego wycofywania kolejnych partii z rynku. Jak podają, w latach 2013–2014 liczba samochodów wycofanych z rynku w USA prawie się potroiła i wzrosła z 22 do 63 mln, generując koszty w wysokości ok. 100 dolarów w przeliczeniu na jeden samochód. W tym samym czasie wycofano z rynku ponad 550 innych towarów konsumpcyjnych. Warto zwrócić uwagę, że czujniki mogą rejestrować wiele parametrów, np. warunki środowiskowe, działania użytkownika itp.

Zaawansowane symulacje

Narzędzia wspierające wykorzystanie „cyfrowych bliźniaków” są dziś stale rozwijane. W grudniu minionego roku firma Dassault Systèmes poinformowała o wdrożeniu jej zlokalizowanego w chmurze rozwiązania branżowego „Engineered to Fly” przez BRM Aero – producenta samolotów Bristell. To działające na platformie 3DEXPERIENCE oprogramowanie pozwala na modelowanie 3D i symulację złożonych i rozłożonych elementów konstrukcyjnych samolotów wykonanych z blachy. Można w ten sposób analizować realne do wykonania koncepcje, uzupełniać je o złożone kształty i sprawdzać ich wykonalność w warunkach produkcyjnych. W zunifikowanym środowisku cyfrowym zespół projektantów może współpracować w czasie rzeczywistym. To ogranicza czas potrzebny na realizację jednego cyklu produkcyjnego i zmniejsza liczbę zmian wprowadzanych już na końcowym etapie procesu konstruk cyjnego. Pozwala też na zachowanie ciągłości śledzenia zmian danych projektowych.

W przemyśle motoryzacyjnym cyfrowy bliźniak pozwala m.in. modelować układ zaworów napędowych i układ smarowania, wymiarować wymiennik ciepła czy projektować akumulatory i silniki elektryczne

Z kolei Siemens w lutym tego roku poinformował o najnowszych dodatkach do systemu Simcenter Amesim, które rozszerzają możliwości prowadzania symulacji. Jest to zintegrowana, skalowalna platforma do symulacji systemów mechatronicznych, która umożliwia ich wirtualną ocenę i optymalizację wydajności. Zawiera biblioteki z różnych dyscyplin: mechaniki, pneumatyki, elektryki, hydrauliki itp. Jak podano, nowe możliwości wprowadzone w Simcenter Amesim pozwoliły np. zwiększyć efektywność modelowania i badania zjawiska syfonowania w systemie paliwowym opracowywanym przez Boeinga. Z kolei w obszarze przemysłu motoryzacyjnego rozszerzono możliwości szacowania rzeczywistej emisji spalin podczas jazdy, modelowania układu zaworów napędowych i układu smarowania, wymiarowania wymiennika ciepła oraz projektowania akumulatora i silnika elektrycznego. Obecna wersja ma nowe funkcje do elektryfikacji samolotów i projektowania układów napędowych, także paliwowych, które mają zastosowanie w przemyśle lotniczym i kosmicznym. W przypadku maszyn przemysłowych przyspieszono walidację elementów sterowania poprzez połączenia z różnymi rodzajami prawdziwych i wirtualnych programowalnych sterowników logicznych (PLC) firmy Siemens lub innych.

Badania i rozwój

Poza aktualizacjami i dodatkami do istniejących systemów tworzone są też nowe rozwiązania branżowe. Pod koniec stycznia tego roku poinformowano o nawiązaniu współpracy między Siemens i BRIDG, której celem ma być rozwój technologii Digital Twins dla przemysłu półprzewodników. Siemens dostarczy oprogramowanie, które umożliwi BRIDG działalność badawczo-rozwojową. Połączenie wiedzy ma pomóc w stworzeniu pierwszego rozwiązania Digital Enterprise Solution przeznaczonego do wspierania produkcji półprzewodników w zakładzie BRIDG w NeoCity na Florydzie.

Pojawiają się też takie rozwiązania jak zaproponowane przez brytyjską firmę Waldeck, w których łączy się modele 3D, wizualizację oraz inne technologie – np. IoT – do inteligentnego łączenia zasobów, danych z czujników, zdalnego monitorowania i analityki. Przedsiębiorstwo zajmuje się m.in. modelowaniem informacji o budynku – Building Information Modelling (BIM). Scentralizowanie informacji o całym łańcuchu dostaw i usług pozwala, jak podaje Waldeck, na otrzymywanie informacji o tym, co się ma, gdzie to jest, jak działa i jak optymalizować procesy.

System Simcenter Amesim to skalowalna platforma do symulacji systemów mechatronicznych, która umożliwia ich wirtualną ocenę i optymalizację wydajności

Przy projektowaniu i symulacji stanowisk zrobotyzowanych w środowisku 3D wykorzystuje się wirtualne otoczenie symulacyjne. Przykładem jest oprogramowanie FANUC ROBOGUIDE, które ma programować roboty bez potrzeby ingerowania w pracę rzeczywistego urządzenia. System w wersji 9. umożliwia modelowanie, programowanie i symulację pracy robotów oraz gniazd zrobotyzowanych. Uwzględniono w nim wymianę informacji między robotami i maszynami, których modele cyfrowe znajdują się w dołączonych bibliotekach. Pozwala to np. przetestować program bez ryzyka wystąpienia fizycznej kolizji robota z innymi obiektami. Z takich wirtualnych elementów zaczyna się obecnie budować całe środowiska produkcyjne. Pozwala to wielokrotnie przyspieszyć przygotowanie procesu w nowym miejscu lub szybko przezbroić linię produkcyjną.

Cyfrowe miasto

Cyfrowe odwzorowanie obiektów i powiązań między nimi można wykorzystać w różnych dziedzinach. Świadczy o tym przykład z Rennes – stolicy francuskiej Bretanii – gdzie wykorzystano system 3DEXPERIENCity firmy Dassault Systèmes do budowy środowiska cyfrowego w celu optymalizacji oferowanych przez miasto projektów, produktów i usług dla mieszkańców. Opracowano cyfrowy model miasta „Virtual Rennes”, w którym – wykorzystując różne źródła stale aktualizowanych danych – opracowuje się koncepcje rozwoju miasta. Jego wirtualny odpowiednik pozwala urzędnikom, mieszkańcom, firmom i dostawcom usług symulować poszczególne rozwiązania, np. komunikacyjne.

Przedstawiając zalety wykorzystania cyfrowych bliźniaków, trzeba pamiętać o tym, że cyfrowa kopia musi odwzorować rzeczywiste właściwości i zachowania danego produktu. A nie zawsze zwraca się na to uwagę. Obserwując postęp technologiczny, można przyjąć, że przyszłość w projektowaniu i organizacji produkcji należeć będzie do systemów cyberfizycznych (Cyber-Physical Systems – CPS), w których świat wirtualny będzie ściśle połączony z fizycznym poprzez sensory i aktuatory, czyli moduły wykonawcze.

MM INFO

Cyfrowy bliźniak to wszechstronne narzędzie, które można wykorzystać w wielu branżach i organizacjach. W materiale opublikowanym przez portal engineering.com zadano pytanie, dlaczego potrzebujemy cyfrowego bliźniaka. Wymieniono pięć głównych zastosowań tej technologii:

1. Sprawdzenie poprawności swojego modelu za pomocą danych z rzeczywistego świata.

2. Śledzenie operacji w celu wspomagania decyzji i ostrzegania użytkowników o anomaliach.

3. Przewidywanie, jak aktywa produkcyjne firmy będą zmieniały się w czasie.

4. Uzyskiwanie informacji o projekcie (np. wykrywanie potencjalnych problemów z jakością planowanego produktu).

5. Nowe strumienie przychodów (nowe źródła dochodów mogą być tworzone tylko z samych posiadanych danych).