Innovazione e riduzione dei cicli di sviluppo prodotto per acquisire produttività e raggiungere obiettivi di sostenibilità, contribuendo alla decarbonizzazione dell’industria aerospaziale. Sono questi i fattori su cui si focalizzano gli investimenti e i progetti della divisione Aerospace & Defense di Dassault Systèmes, seconda software company europea con un fatturato di 5,95 miliardi di euro, che con le sue tecnologie ha permesso a Boeing di creare il primo gemello virtuale del Boeing 777, un approccio innovativo che ha stabilito nuovi standard per l’industria aerospaziale e che continua a influenzare il modo in cui vengono sviluppati e gestiti gli aerei moderni. Come supportare i costruttori e gli oem nella transizione a una nuova generazione di velivoli allineati alle nuove dinamiche di mercato? Secondo Dassault Systèmes, punto centrale dell’innovazione è appunto il virtual twin, che rappresenta la forma digitale per ottenere efficienza lungo tutta l’intera catena del valore industriale, from cradle to grave, dalla culla alla tomba, dalla progettazione alla produzione, dalla messa in servizio alla manutenzione fino alla sua dismissione.
«Il futuro aerospaziale è un universo di virtual twin, sistemi digitali che interagiscono tra loro e che servono a creare nuovi modelli di business e operativi», afferma David Zeigler, vp Aerospace & Defense di Dassault Systèmes.
Virtual twin, quindi, per gestire progettazione, produzione e operation, tecnologia sulla quale si innesca l’intelligenza artificiale. «L’IA diventa trasversale a tutti i processi per rendere più produttive le attività di sviluppo e di fabbrica, per acquisire capacità predittive nell’ambito della manutenzione e della supply chain», dice Zeigler. Tra i clienti della divisione della multinazionale francese, grandi produttori come Airbus e Boeing, che utilizzano la piattaforma 3DExperience per progettare e sviluppare nuovi aeromobili, e i maggiori fornitori di componenti su scala mondiale, come Gkn e Safran. Virtual twin, intelligenza artificiale. I temi sono stati al centro del Farnborough International Airshow, la più importante fiera internazionale dell’industria aeronautica e spaziale che si tiene ogni due anni in Gran Bretagna.
«È un momento unico per il settore aerospaziale commerciale: La domanda del mercato è in forte crescita. Il numero di passeggeri è tornato ai livelli pre-pandemia e si prevede che nel 2024 saranno superiori del 4,2% rispetto al 2019», dice Zeigler. Aerospace, un’industria in piena trasformazione, che vede il decollo di una nuova mobilità guidata dalla transizione all’elettrico e all’idrogeno, con produzione di aerei a corto raggio e a decollo verticale, ideali per voli di piacere o di trasporto locale. «Combinando motori elettrici e tradizionali, si possono creare aerei più efficienti in grado di operare su rotte sempre più lunghe. E l’idrogeno può essere utilizzato come fonte di energia per alimentare motori a combustione interna modificati o celle a combustibile», dice Ziegler. È il caso di Joby Aviation, next generation aviation company americana che con il suo primo prototipo di taxi aereo idrogeno-elettrico ha effettuato con successo un volo di 523 miglia. Ecco le nuove tendenze dell’aerospace, le potenzialità della piattaforma cloud 3DExperience, del virtual twin e dell’intelligenza artificiale per supportare la progettazione e produzione di velivoli di nuova generazione. «Ingegneria, produzione, service e manutenzione in virtual twin. Non vi è una singola azienda al mondo che non stia andando in questa direzione. Rappresentazione semplificata di un sistema o di un processo, simulazione del comportamento di un sistema nel mondo reale, verifica delle attività e validazione del prodotto per dimostrare la conformità ai requisiti alle esigenze del cliente. Tutto questo è possibile con il virtual twin», afferma Zeigler.
La fabbrica digitale per l’aerospace, un sistema complesso composto dalla somma di più virtual twin
Per Dassault Systèmes la creazione di un virtual twin composto da più virtual twin rappresenta un passo avanti significativo nel campo della simulazione e dell’analisi dei sistemi complessi. Virtual twin di virtual twin, un concetto che rappresenta la naturale evoluzione dell’idea di gemello digitale e apre la porta a simulazioni ancora più dettagliate e sofisticate. «Immaginiamo di voler creare un virtual twin di un’intera fabbrica, dice Ziegler. Potremmo iniziare creando un virtual twin per ogni macchina, un altro per il sistema di controllo, un altro per la logistica interna e così via. Ognuno di questi virtual twin rappresenta un sottosistema specifico e può essere analizzato in modo indipendente. In questo modo, unendo tutti più virtual twin si ottiene un modello complessivo della fabbrica che permette di simulare l’intero processo produttivo, dall’approvvigionamento delle materie prime alla spedizione dei prodotti finiti», afferma Ziegler.
Model based system engineering (Mbse), la metodologia per la realizzazione di sistemi digitali complessi
La metodologia innovativa che sta rivoluzionando il modo in cui si progettano e si sviluppano sistemi aerospace complessi è l’Mbse, il Model based system engineering. Come dice Ziegler, «Questo approccio offre una maggiore flessibilità, accuratezza e comprensione dei sistemi reali, aprendo la strada a nuove possibilità applicative».
Il Model based system engineering rivoluziona lo sviluppo tradizionale promuovendo la collaborazione, semplificando i processi e garantendo una fonte unica di verità.
In questa prospettiva, invece di affidarsi a documenti testuali e processi manuali si utilizzano modelli digitali per rappresentare e analizzare il sistema durante tutto il suo ciclo di vita, dalla concezione iniziale fino alla sua dismissione. «I sistemi moderni sono sempre più interconnessi e multidisciplinari. L’Mbse offre un modo efficace per gestire questa complessità, permettendo di visualizzare e comprendere le relazioni tra le diverse componenti del sistema», sottolinea Zeigler. Tra le aziende che utilizzano questa metodologia si può citare Lockheed Martin che l’ha adottata per gestire e semplificare le complessità ingegneristiche tra componenti meccanici, elettrici e software dei prodotti in fase di sviluppo. Mbse, quindi, come metodologia abilitante il virtual twin, per lavorare in una logica di simulazione always on durante tutte le fasi di sviluppo.
3DExperience, la piattaforma cloud per una progettazione e produzione collaborativa è oggi adottata da oltre il 50% dei clienti della divisione aerospace di Dassault Systèmes
Attraverso il monitoraggio delle attività in tempo reale, la piattaforma 3DExperience può aiutare a migliorare l’efficienza e la gestione dei progetti, facilitare l’innovazione e la collaborazione tra i vari team di progetto. «Le inefficienze sono spesso dovute al fatto che la supply chain vede coinvolti fornitori che non sono nella condizione di interagire con sistemi esterni, dice Zeigler. Per risolvere questi problemi si deve compiere una trasformazione digitale. Ed è il cloud il fattore abilitante. Ora tutti i nostri clienti hanno una strategia cloud e stanno considerando il passaggio alla nuova piattaforma cloud native». 3Dexperience si afferma, quindi, come piattaforma integrata per tutte le fasi del ciclo di sviluppo (ingegneria, test, produzione e operation): si passa da una visione a silos dei sistemi di gestione dei dati di prodotto (Pdm) o di gestione del ciclo di vita del prodotto (Plm) a una soluzione cross-funzionale dove tutti gli stakeholder di filiera possono collaborare in tempo reale.
Virtual twin of operation: manutenzione predittiva per generare una riduzione dei costi operativi
Il virtual twin of operation implementa tecniche e analisi big data per ridurre i costi di manutenzione delle flotte aeree. «In Dassault Aviation, la nostra sister company, la tecnologia ha permesso un miglioramento del 10% della disponibilità delle flotte, riducendo in modo significativo i costi di manutenzione e operativi, che rappresentano circa il 25% del total cost of ownership di un velivolo», racconta Ziegler. Utilizzando enormi quantità di dati relativi alla progettazione, produzione, assistenza e ai registri di volo/manutenzione di ciascun aeromobile, Dassault Aviation è oggi in grado di anticipare i problemi di manutenzione, ottimizzare le operazioni di manutenzione e massimizzare la disponibilità della flotta. «La piattaforma 3DExperience fornisce a Dassault Aviation un modello basato sui dati per raccogliere i dati più preziosi, alimentarli continuamente nel virtual twin di un aeromobile in tutte le fasi del suo ciclo di vita e identificare le azioni necessarie per supportare i suoi processi di manutenzione operativa», afferma Ziegler. Una modalità operativa ed esecutiva che consente a tecnici e ingegneri di manutenzione di anticipare i problemi prima che si verifichino, pianificando rapidamente programmi di manutenzione, sostituzioni di parti e processi di manutenzione, riparazione e revisione più appropriati.
Intelligenza generativa: la nuova leva tecnologica per l’automazione del design e del manufacturing
Nell’aerospace si va verso una sempre più spinta automazione della progettazione. «Uno dei temi centrali trattati nel corso della Fiera è stata l’intelligenza artificiale e in particolare come sfruttare la tecnologia per accelerare il design e migliorare il processo manifatturiero». Centrale il tema del generative design: partendo da pochi input o vincoli di design gli algoritmi di intelligenza generativa possono infatti fornire una vasta gamma di concept di prodotto. Come dice Zeigler «L’IA generativa permette ai designer di esplorare un ampio spazio di soluzioni e di trovare idee originali e creative».
Progettazione di componenti leggere e resistenti in 3D printing, ottimizzazione dei flussi d’aria all’interno di un motore, creazione di modelli virtuali per simulare le condizioni di volo. L’IA generativa può essere utilizzata per ottimizzare la forma di un prodotto, ad esempio per migliorare l’aerodinamica o la resistenza di una struttura aerea, o per ottimizzare i processi produttivi, identificando le sequenze di operazioni più efficienti e riducendo gli sprechi. Infine, l’IA applicata alla computer vision per rendere più produttivo il controllo qualità. «Alla fine delle linee di assemblaggio vi è ormai tutta una componente robotica che controlla che le parti siano state prodotto secondo le specifiche», dice Zeigler.
Sostenibilità, le nuove tecnologie “no-bleed air” per ridurre emissioni e consumi energetici degli aeromobili
«Il nostro obiettivo è sostenere l’industria aerospace nella progettazione di aerei ecologici che consumano meno energia e producono meno emissioni semplificando la complessità nello sviluppo di nuovi prodotti», dice Ziegler. Nel corso del Farnborough International Airshow, Dassault Systèmes ha per esempio illustrato come simulare la distribuzione dell’energia a bordo di un aereo e come passare a un design più elettrificato, senza l’uso di aria prelevata dai motori. Si affermano quindi soluzioni “no-bleed air, che rappresenta una rivoluzione nel modo in cui viene gestita l’aria compressa. «A differenza dei tradizionali sistemi che utilizzano l’aria estratta dai motori (bleed air), il sistema no-bleed produce aria compressa in modo indipendente, eliminando la necessità di prelevare aria dai motori, migliorando così l’efficienza complessiva del velivolo», spiega Ziegler. Nel settore aerospaziale esiste quindi una forte spinta all’innovazione per ridurre gli sprechi, il consumo di energia e le emissioni. Un esempio è quello di Airbus: impegnata per per raggiungere voli a zero emissioni entro il 2035, ha recentemente presentato tre nuovi concetti di propulsione a idrogeno (turbofan, turboprop e “blended–wing body”).
Transizione all’elettrico: Airbus, Boeing, start-up e oem della futuribile industria dell’aerospace
Il passaggio del settore aerospace all’elettrico è complesso e, a causa delle maggiori dimensioni degli aeromobili e delle esigenze di autonomia più elevate, sarà molto graduale. Tuttavia, si stanno conducendo numerosi studi e progetti pilota per sviluppare motori elettrici più potenti e batterie con maggiore densità energetica. «La riduzione delle emissioni di Co2 è uno degli obiettivi principali della transizione energetica e l’aviazione elettrica rappresenta una soluzione promettente per diminuire l’impronta ecologica del settore», dice Zeigler. A testimoniare questa tendenza, Boeing, che ha già presentato prototipi e concept di aerei elettrici e ibridi. Anche Airbus è fortemente impegnata nella transizione verso l’elettrico: il big dell’aerospace ha presentato diversi progetti, tra cui aerei elettrici a corto raggio e ibridi per tratte più lunghe. E poi l’innovazione che arriva da nuove aziende, dalla startup israeliana Eviation Aircraft, che ha già realizzato un aereo elettrico a nove posti, l’Alice, a Lilium, l’azienda tedesca che sta sviluppando un aereo elettrico a decollo verticale per il trasporto urbano. Tra gli oem, Rolls-Royce. Lo storico produttore di motori per aerei è infatti impegnato nello sviluppo di propulsori elettrici per aerei regionali e urbani.
Joby Aviation: il caso dell’areo alimentato a idrogeno che ha compiuto con successo un volo di 523 miglia
Virtual twin e simulazione aiutano a trovare il migliore trade-off tra costo, performance e sostenibilità, avendo sempre come obiettivo il raggiungimento del migliore carbon footprint. È il caso di Joby Aviation, next generation aviation company americana che nel mese ha effettuato con successo un volo di 523 miglia con un primo prototipo di taxi aereo idrogeno-elettrico. L’aeromobile, che decolla e atterra verticalmente, si basa sul riuscito programma di sviluppo del taxi aereo elettrico a batteria di Joby e dimostra il potenziale dell’idrogeno per sbloccare viaggi regionali senza emissioni che non richiedono una pista. L’aeromobile elettrico a batteria dispone di un serbatoio di carburante a idrogeno liquido, progettato e costruito per contenere fino a 40 chilogrammi di idrogeno liquido, insieme a una massa ridotta di batterie. L’idrogeno viene alimentato in un sistema a celle a combustibile e l’elettricità prodotta alimenta i sei motori elettrici con le batterie che forniscono energia aggiuntiva principalmente durante il decollo e l’atterraggio.
«Con la domanda di nuova mobilità che si prevede raggiungerà i 7,9 miliardi di dollari entro il 2030, il settore dei veicoli elettrici a decollo e atterraggio verticale sta ora affrontando una crescente concorrenza. E grazie alla collaborazione con Dassault Systèmes, Joby Aviation ha ora gli strumenti corretti per fornire in modo efficiente nuove innovazioni di mobilità aerea. Con il virtual twin gestiscono l’analisi iniziale di design e modellazione 3D fino alla definizione dei requisiti, all’ottenimento della certificazione e all’abilitazione alla produzione», afferma Ziegler.
