Il virtual manufacturing è un insieme di metodologie e tecniche computerizzate che aiuta il mondo della produzione a rispondere con resilienza e capacità competitiva a sfide di complessità sempre più elevata.
Oggi in molti settori industriali, tra i quali l’industria automobilistica, i sistemi aerospaziali, la fabbricazione di semiconduttori o di componenti e sistemi elettronici, le filiere e le infrastrutture di produzione sono altamente complesse: i prodotti sono spesso costituiti da un elevato numero di parti e componenti, e vengono fabbricati impiegando altrettanto numerose e sofisticate fasi di lavorazione e svariati processi di assemblaggio e sub-assemblaggio. Negli stabilimenti, spesso distribuiti a livello geografico, interdipendenza e complessità dei processi di produzione aumentano la probabilità di downtime sulle linee.
Tutto ciò rende inefficiente e diseconomico fabbricare, gestire e manutenere tali infrastrutture se prima non si elabora una rappresentazione digitale, in grado di simulare e prevedere il funzionamento del sistema, e di stabilire come attrezzature, macchinari, processi, prodotti dovranno essere progettati, realizzati, gestiti per operare al meglio.
Virtual manufacturing, che cos’è
Le tecniche di virtual manufacturing consentono di realizzare simulazioni indirizzate a ottimizzare l’ambiente di fabbrica, inclusi macchinari, processi e prodotti delle linee di produzione. Tra le principali tecnologie adottate nel virtual manufacturing rientrano software CAD (computer-aided design) e CAM (computer-aided manufacturing), software di simulazione e modellistica matematica 3D, tool PLM (product lifecycle management), realtà virtuale (VR) e tecniche di Advanced analytics e AI (Artificial intelligence).
Progettazione integrata dei processi produttivi
Nelle strategie di virtual manufacturing, un ruolo fondamentale è giocato dalle metodologie di modellistica matematica. L’abilità di tenere conto dei vari aspetti di progettazione, che spesso coinvolgono fisiche differenti e obiettivi in antitesi, richiede infatti l’utilizzo di tecniche di modellazione matematica combinate con algoritmi di ottimizzazione multi-obiettivo. Ciò consente di ottimizzare in anticipo tutte le funzioni di produzione (approvvigionamento, fabbricazione, assemblaggio, collaudo, distribuzione, consegna, servizi assistenza e riparazione) e di razionalizzare il progetto per soddisfare requisiti sempre più stringenti in termini di time-to-market, costi, qualità, personalizzazione, affidabilità, sicurezza, conformità con le normative.
Gli odierni sistemi di manufacturing intelligente sono improntati alla produzione flessibile (FMS – flexible manufacturing system) e a Industria 4.0, ovvero ad un futuro di smart factory potenziate da sensori IoT (Internet of Things) che operano in sinergia con strumenti analitici evoluti e algoritmi di machine learning (ML). In questo contesto la peculiarità dei modelli matematici resta unica per il suo specifico potenziale di ottimizzazione. E ciò perché in ogni impianto vi sono comunque fenomeni e processi che vanno analizzati in maniera profonda, individuando le corrette tecniche di modellazione matematica che consentono di ottimizzare la progettazione e configurazione di un determinato sistema di produzione.
In aggiunta, in tali contesti, anche la raccolta dati svolge un ruolo fondamentale, in quanto consente di creare un circolo virtuoso in cui l’esperienza passata diventa motore e driver della progettazione futura, non solamente in termini qualitativi.
Virtual manufacturing, i benefici tecnici ed economici
Dal punto di vista tecnico, il virtual manufacturing permette di ridurre o eliminare funzionalità non necessarie, complesse o costose da realizzare e di standardizzare e ridurre il numero di parti, sub-assemblaggi e assemblaggi.
Sotto il profilo economico e di business, diventa possibile ridurre o eliminare le tipiche revisioni e modifiche che finiscono per generare ritardi sulle tempistiche di progetto, facendo lievitare i costi. In sostanza, il virtual manufacturing punta a soddisfare i requisiti di progetto già in prima battuta, contenendo l’effort di sviluppo, tempi e costi di assemblaggio, sprechi di materiale, incrementando al contempo la qualità e affidabilità dei prodotti e comprimendo il time-to-market.
Modelli matematici per potenziare il virtual manufacturing
L’ottimizzazione di un sistema di produzione industriale attraverso le metodologie di virtual manufacturing è un problema di risoluzione complessa, perché le variabili in gioco sono tante e gli obiettivi da raggiungere sono spesso conflittuali: è inutile, ad esempio, riuscire a ridurre il numero di parti e i passaggi di assemblaggio, se poi i componenti progettati risultano difficili o costosi da fabbricare. A maggior ragione, in tutti questi casi, è fondamentale adottare un approccio matematico alla progettazione basato sull’ottimizzazione multi-obiettivo, in cui durante lo sviluppo del progetto si possano analizzare e bilanciare i differenti benefici e trade-off a livello di produzione, assemblaggio, costi. Da ciò deriva l’importanza di saper sviluppare algoritmi e modelli matematici improntati sull’analisi multicriterio (MCDM – multiple-criteria decision-making) e multi-obiettivo.
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