Come gli OEM del settore aeronautico possono utilizzare i gemelli digitali per ottimizzare la produzione

Tecnologia dei gemelli digitalista riscrivendo silenziosamente le regole della produzione aerospaziale. Un tempo un concetto futuristico, i gemelli digitali sono ora strumenti fondamentali per gli OEM (Original Equipment Manufacturer) del settore aeronautico che desiderano ridurre i costi di produzione, accelerare il time-to-market e migliorare l'affidabilità degli aeromobili.

I gemelli digitali sono modelli virtuali basati sui dati che rispecchiano i sistemi fisici, imparando continuamente dagli input del mondo reale per aiutare gli OEM a simulare i risultati, testare i progetti e prevedere le esigenze di manutenzione molto prima che qualsiasi hardware fisico venga costruito o distribuito. Possono anche testare nuovi layout di reparto per valutarne l'impatto sulla produzione.

Aziende come Airbus, Rolls-Royce, Siemens e Bell stanno già raccogliendo i frutti. Airbus ha ridotto drasticamente i tempi di produzione per i suoi programmi A320 e A350 utilizzando modelli digitali dell'intero ciclo di vita (Sala stampa Airbus), e Siemens sostiene che i gemelli digitali hanno ridotto i costi di rielaborazione ingegneristica dal 20% a solo l'1% per alcuni clienti del settore aerospaziale (Notizie internazionali sull'aviazione).

Questo articolo esplora come gli OEM del settore aeronautico utilizzano i gemelli digitali per progettare e costruire aeromobili in modo più rapido e sicuro e per formare la prossima generazione di professionisti dell'aviazione.

Cosa sono i gemelli digitali e perché sono importanti?

Un gemello digitale è una replica vivente e in continua evoluzione di un oggetto, processo o sistema fisico che simula il comportamento del mondo reale attraverso un flusso continuo di dati in tempo reale. In aviazione, potrebbe trattarsi del gemello di un motore o di un'intera linea di produzione.

I gemelli digitali sono resi possibili da tecnologie come sensori IoT (Internet of Thing), algoritmi di intelligenza artificiale e apprendimento automatico (ML) e analisi basate su cloud. Questi consentono ai produttori di replicare virtualmente qualsiasi cosa, dal flusso d'aria delle ali alle dimensioni dei nuovi carrelli per bevande, prima di impegnarsi nella produzione fisica. Questi modelli sono dinamici, aggiornati costantemente con dati operativi e collegati a simulazioni che prevedono scenari pressoché infiniti.

Per gli OEM, il valore è evidente. Invece di affidarsi a costosi e lunghi processi di prova ed errore, possono convalidare i progetti digitalmente ed evitare costosi errori.

In Siemens, il software per gemelli digitali sta aiutando startup come JetZero a puntare a una tempistica di certificazione degli aeromobili di soli cinque anni, che è significativamente più veloce rispetto ai programmi tradizionali come il Boeing 787 o l'Airbus A350 (Notizie internazionali sull'aviazione).

Todd Tuthill, vicepresidente per il settore aerospaziale, della difesa e marittimo di Siemens Digital Industries Software, afferma che la loro tecnologia consente di costruire e certificare un aereo con ala mista da 250 passeggeri "in due terzi del tempo impiegato [da altri OEM] per certificare i loro ultimi progetti ex novo".

Tuthill attribuisce queste tempistiche aggressive alle loro tecnologie superiori di gemelli digitali, affermando che ora possono "far volare gli aerei prima che vengano costruiti", molto prima ancora che la fabbrica esista.

Il gemellaggio digitale è anche un elemento centrale dell'iniziativa "IntelligentEngine" di Rolls-Royce. L'azienda utilizza dati provenienti da sensori e analisi in tempo reale per simulare il comportamento dei motori in condizioni estreme, spingendosi ben oltre ciò che i tradizionali test fisici consentirebbero.Rolls-Royce Media).

Nick Ward, vicepresidente dei sistemi digitali di Rolls-Royce, raccontaProduzione e progettazione aerospazialeche consente un minor numero di prototipi, tempi più rapidi, prestazioni migliori e un ROI più forte (Progettazione della produzione aerospaziale).

I loro motori a reazione sono così ben progettati e mantenuti, afferma Ward, che il motore Rolls-Royce Trent può compiere più di 1.000 giri del mondo tra un "evento motore significativo" e l'altro. Le previsioni multivariabili dell'azienda possono mappare le prestazioni dei componenti e fornire un'accurata "scadenza di manutenzione predittiva, fino al singolo numero di componente".

Accelerare la progettazione degli aeromobili con sicurezza virtuale

I gemelli digitali stanno trasformando il modo in cui gli OEM affrontano le prime fasi della progettazione degli aeromobili. In Airbus, gli ingegneri utilizzano simulazioni basate sulla fisica e modelli 3D dettagliati per cicli di progettazione più rapidi e minori problemi di qualità, in particolare per le famiglie A320 e A350.Sala stampa Airbus).

Il FlightLab di Airbus, un elicottero H130 modificato, è stato utilizzato per testare sistemi di autonomia, sistemi anti-impatto con il rotore e controlli fly-by-wire semplificati. Il dimostratore DisruptiveLab, invece, si concentra sulla riduzione della resistenza aerodinamica e delle emissioni di CO₂. L'azienda stima che il DisruptiveLab potrebbe ridurre il consumo di carburante del 50% rispetto ai modelli attuali (Verticale).

Rolls-Royce adotta un approccio simile nello sviluppo dei motori (Rolls-Royce Media). Il vicepresidente Nick Ward afferma: "Ogni giorno vengono presentate alle compagnie aeree nuove informazioni accurate, che vengono poi utilizzate senza problemi dal loro responsabile della manutenzione".

I primi rapporti di Rolls-Royce mostrano enormi progressi nel senso che le integrazioni dei dati stanno estendendo significativamente la vita utile dei motori e di altri componenti costosi, aumentando persino di quasi il 50% il tempo necessario per la rimozione del primo motore (Produzione e progettazione aerospaziale).

"Quando si dispone di questo livello di monitoraggio e di dati", afferma Ward, "i loro precedenti approcci di manutenzione preventiva diventano obsoleti". I guasti vengono quasi sempre ricondotti al singolo componente e ben prima dei cicli di manutenzione pianificati.

L'azienda ha un "tasso di successo del 100%" nel raggiungere il suo obiettivo di "zero false previsioni".

In questi esempi, i gemelli digitali consentono agli OEM di costruire aeromobili più intelligenti e sicuri in tempi più rapidi, con meno sorprese in termini di produzione e prestazioni.

Produzione più intelligente: come gli OEM ottimizzano le linee di produzione

Progettare un aereo è una sfida. Costruirlo su larga scala, in modo efficiente e senza ritardi, è un'altra. Anche in questo caso, i gemelli digitali si stanno rivelando preziosi, in particolare nella pianificazione e nella simulazione delle linee di produzione.

JetZero punta molto sulla produzione ottimale fin dal primo tentativo. Utilizzando gli strumenti del gemello digitale di Siemens, l'azienda può simulare i processi di produzione, identificare i colli di bottiglia e ottimizzare i layout di fabbrica prima ancora che inizi la costruzione.Notizie internazionali sull'aviazione). "Non vedo l'ora di costruire [un gemello digitale] di una fabbrica per scoprire di averla progettata male", ha dichiarato Todd Tuthill, vicepresidente di Siemens, ad Aviation International News (AIN). Questo è lo scopo di questa tecnologia: correggere gli errori virtualmente, non fisicamente.

Airbus sta adottando un approccio simile con i suoi dimostratori PioneerLab e Racer, dove testa di tutto, dai sensori di impatto del rotore all'efficienza aerodinamica, fino ai sistemi di propulsione ibridi. L'obiettivo è convalidare i componenti ottimizzando parallelamente le linee di assemblaggio e i protocolli di manutenzione.Verticale).

All'interno degli stabilimenti di Illescas e Saint-Eloi, i gemelli digitali monitorano ogni aspetto, dalle vibrazioni delle macchine alla temperatura e all'umidità. Questi dati forniscono informazioni utili per prendere decisioni sul controllo qualità, sulla manutenzione delle macchine e sull'ottimizzazione del flusso di lavoro.Sala stampa Airbus). Inoltre, gli occhiali intelligenti e i tablet consentono la formazione virtuale degli operai in fabbrica prima ancora che entrino in fabbrica.

I vantaggi tecnologici sono sbalorditivi. L'elicottero Airbus Racer risparmia il 20% di carburante mettendo in standby uno dei due motori dell'aereo a quota di crociera, pur volando a una velocità molto maggiore rispetto agli elicotteri tradizionali. Inoltre, la sua ala può fornire il 40% della portanza dell'elicottero, riducendo lo sforzo sul rotore. Riduce anche le vibrazioni, migliorando il comfort di passeggeri e piloti.Sala stampa Airbus).

Riduzione dei tempi di fermo degli aeromobili

Sia per gli OEM che per gli operatori del settore aeronautico, i tempi di inattività sono catastrofici. Ogni aereo fermo rappresenta perdite di fatturato, problemi di programmazione e ritardi a cascata. Oltre alla produzione, i gemelli digitali stanno diventando sempre più centrali per le aziende di MRO (Maintenance, Repair and Overhaul).

Un gemello digitale di un componente del motore o del carrello di atterraggio può ricevere continuamente dati da sensori IoT integrati, dati sull'usura dei cingoli e sul degrado del modello in varie condizioni. GE, ad esempio, ha sviluppato gemelli digitali per singoli componenti come il carrello di atterraggio per una visione granulare dei cicli di vita delle parti (AeroTime).

Secondo Deloitte, i programmi di manutenzione predittiva possono ridurre i tempi di fermo degli aeromobili del 15%, aumentare la produttività del lavoro del 20% e tagliare i costi di manutenzione del 18-25% (AeroTime). McKinsey aggiunge che questo approccio può anche aumentare la disponibilità degli aeromobili fino al 15%.

Air France-KLM è tra le principali compagnie aeree che si affidano fortemente ai gemelli digitali basati sull'intelligenza artificiale. Combinando gli strumenti di intelligenza artificiale generativa di Google Cloud con i dati dei sensori dell'intera flotta, la compagnia aerea può comprimere l'analisi dei dati di manutenzione da ore a minuti (AeroTime). Ad oggi, Air France-KLM ha utilizzato oltre 900.000 visualizzazioni di 104 gemelli digitali per ottenere questi risultati in termini di affidabilità (Matterport).

I gemelli digitali vengono utilizzati anche per le visite guidate dei piloti prima del volo e riducono i tempi di pulizia dell'equipaggio fino al 30%, migliorando la prontezza al volo dell'aeromobile (Matterport).

Presso Delta Air Lines, quasi 1.000 aeromobili di linea sono collegati alla piattaforma Airbus Skywise, che consente ai flussi di dati in tempo reale di alimentare i corrispondenti gemelli digitali. Oltre 50.000 utenti si affidano al sistema per prevedere l'usura, ottimizzare i programmi di manutenzione ed evitare eventi AoG.Sala stampa Airbus).

Lockheed Martin sta esplorando un'applicazione ancora più futuristica: la creazione di gemelli digitali "e-Pilot" che monitorino non solo i sistemi dell'aeromobile, ma anche i piloti umani in tempo reale. Questi copiloti digitali potrebbero in futuro fornire assistenza durante operazioni critiche (AeroTime).

Simulazione, formazione e sviluppo della forza lavoro

Con l'evoluzione dei sistemi digitali, anche le persone che li gestiscono e li mantengono devono evolversi. Questa è una sfida crescente nel settore dell'aviazione, dove la forza lavoro sta invecchiando e la prossima generazione ha bisogno di competenze completamente nuove, in parti uguali meccaniche e digitali.

Il settore si trova ad affrontare una carenza di tecnici con competenze digitali. Le previsioni di Boeing per il 2024 prevedono 716.000 nuovi professionisti della manutenzione nei prossimi due decenni, e l'Aviation Technician Education Council (ATEC) avverte della mancanza di istruttori per formarli.AeroTime).

A differenza di altri settori in cui l'intelligenza artificiale potrebbe sostituire i lavoratori, l'aviazione ha bisogno di professionisti qualificati per lavorareconStrumenti digitali. L'ascesa dei gemelli digitali implica che i tecnici di oggi debbano comprendere modelli di dati, analisi predittiva e strumenti di simulazione, oltre alle tradizionali competenze tecniche. I programmi di formazione si stanno adattando lentamente, ma c'è slancio.

La realtà aumentata (AR), la realtà virtuale (VR) e le simulazioni immersive stanno diventando componenti essenziali nei programmi di aggiornamento professionale. Allo stesso modo, soluzioni come AK GO e AK View offrono ambienti di formazione basati sulla realtà aumentata che simulano procedure di emergenza e attività di manutenzione (AeroTime).

Leonardo ha fatto un ulteriore passo avanti creando un gemello digitale del suo dimostratore di elicottero senza equipaggio Proteus, che consente ai team di sviluppare e testare i componenti virtualmente, ben prima che qualsiasi velivolo reale prenda il volo (Verticale). L'ambiente sintetico funge sia da sandbox di sviluppo sia da simulatore di addestramento.

Un altro passo importante è rappresentato dal Digital Twin Centre del Regno Unito, inaugurato a maggio 2024. Concentrato sui settori aerospaziale, spaziale e marittimo, il centro promuove la standardizzazione e la condivisione delle infrastrutture per rendere la formazione basata su gemelli più accessibile.Organizzazione della NATO per la scienza e la tecnologia).

Gli ambienti di test digitali sono inoltre fondamentali per garantire che l'addestramento basato sulla simulazione sia in linea con i requisiti normativi. I nuovi framework mirano a integrare i programmi di competenza dei piloti con le funzionalità dei simulatori, colmando il divario tra realismo dell'addestramento e standard di certificazione.Società Aeronautica Reale).

Per garantire il successo degli strumenti di intelligenza artificiale, è necessaria la formazione. Il futuro dell'aviazione potrebbe essere digitale, ma dipenderà comunque da persone altamente qualificate.

Realtà guidata dall'intelligenza artificiale

Siemens sta ampliando i confini dell'intelligenza artificiale e del mondo reale con il suo NX Immersive Designer, che combina realtà aumentata, comandi vocali e intelligenza artificiale generativa per consentire agli ingegneri di interagire con modelli 3D in un contesto reale (SSala stampa Iemens).

Al Salone dell’Aeronautica di Parigi del 2025, Siemens ha paragonato questa esperienza a un ologramma funzionale (dall’immagine televisivaStar Trek), dando vita ai progetti di aeromobili in ambienti completamente immersivi (Notizie internazionali sull'aviazione).

Il sistema di autonomia Matrix di Sikorsky è già operativo in missioni reali. Nel 2024, ha permesso a un elicottero Black Hawk di rilevare e sopprimere autonomamente un incendio boschivo simulato, identificando l'incendio, posizionando il velivolo ed effettuando un lancio d'acqua di precisione senza l'intervento del pilota (Verticale).

Sfide e barriere all'adozione

Nonostante tutte le promesse, gli OEM incontrano notevoli ostacoli nell'adozione su larga scala della tecnologia digital twin.

L'interoperabilità è una delle sfide più grandi. Integrare piattaforme gemelle digitali in sistemi complessi,catene di fornitura multinazionaliNon è un'impresa da poco. I produttori collaborano con centinaia di fornitori, ognuno dei quali utilizza strumenti, standard e formati di dati diversi. Far sì che questi sistemi possano scambiare dati in modo fluido e sicuro è un ostacolo notevole.

Il costo è un altro fattore limitante. Mentre i gemelli digitali spesso comportanorisparmi a lungo termine, l'investimento iniziale può essere elevato. Sensori sofisticati, infrastrutture cloud, visori AR (Realtà Aumentata), licenze software e programmi di formazione sono tutti fattori che si sommano. Per gli OEM più piccoli o i fornitori di secondo e terzo livello, il ROI potrebbe richiedere diversi anni per essere realizzato.

Poi c'è il divario di talenti. Come accennato in precedenza, i sistemi di digital twin richiedono una forza lavoro ibrida in grado di combinare competenze meccaniche con competenze digitali. Al momento, il nostro attuale bacino di lavoratori qualificati non riesce a tenere il passo. Le aziende sono già a corto di lavoratori con formazione tradizionale, per non parlare di coloro che sanno utilizzare efficacemente la nuova tecnologia di intelligenza artificiale.AeroTime).

Infine, i quadri normativi stanno ancora recuperando terreno. Sebbene agenzie come l'EASA (Agenzia dell'Unione Europea per la Sicurezza Aerea) e la FAA stiano iniziando a integrare la simulazione nei percorsi di certificazione, persiste un'incertezza su come verrà trattata la convalida esclusivamente digitale, in particolare quando si tratta di componenti critici per la sicurezza (Società Aeronautica Reale).

Cosa c’è dopo: il futuro immediato dei gemelli digitali e dell’intelligenza artificiale nell’aviazione

L'attuale slancio dei gemelli digitali nel settore aeronautico è inequivocabile e continua a crescere. I produttori di apparecchiature originali (OEM) stanno investendo massicciamente in simulazione, intelligenza artificiale (IA) e ambienti di progettazione immersivi, segnalando un cambiamento radicale nel modo in cui gli aeromobili vengono concepiti, costruiti e persino certificati.

Sempre più spesso, le decisioni più importanti in materia di progettazione e produzione vengono prese in ambito digitale, molto prima che un singolo componente fisico venga lavorato o installato.

Un esempio interessante è JetZero, la cui strategia di gemello digitale va oltre il semplice aereo in sé, includendo anche la fabbrica che lo costruirà.

Simulando ogni dettaglio sia del prodotto che dell'ambiente di produzione, JetZero sta creando un precedente su come le prove digitali potrebbero un giorno sostituire i tradizionali flussi di lavoro di ispezione e certificazione. Invece di attendere lunghe convalide fisiche e costose rilavorazioni iterative, le aziende potrebbero presto presentare agli enti regolatori dimostrazioni virtuali che dimostrino il rispetto degli standard di sicurezza e qualità, ancor prima dell'installazione del primo strumento (Notizie internazionali sull'aviazione).

L'intelligenza artificiale sta aprendo nuove frontiere anche in termini di prestazioni ambientali. Si pensi all'elicottero Airbus Racer, sviluppato nell'ambito dell'iniziativa Clean Sky 2 (Aviazione pulita dell'Unione Europea,Verticale). La spinta verso voli più ecosostenibili è ciò che ha spinto lo sviluppo del suo sistema di intelligenza artificiale che consente di spegnere un motore durante il volo, ed è un potente esempio concreto di come gli strumenti di intelligenza artificiale stiano creando una tecnologia più veloce ed efficiente, che è anche migliore per le persone e per il pianeta.

L'infrastruttura complessiva a supporto dei gemelli digitali si sta evolvendo rapidamente. Gli ambienti dei gemelli digitali stanno diventando sistemi interconnessi che fungono da fonti di verità condivise tra intere organizzazioni.

Le piattaforme Skywise di Airbus e 3DEXPERIENCE di Dassault Systèmes esemplificano questa evoluzione. Entrambe stanno emergendo come hub fondamentali per la collaborazione in tempo reale a livello aziendale (Sala stampa Airbus). Queste piattaforme consentono di prendere decisioni basate sulla simulazione a ogni livello aziendale.

I numeri parlano chiaro: oltre 370.000 clienti (12,5 milioni di utenti finali) utilizzano attualmente 3DEXPERIENCE come piattaforma di progettazione assistita da computer (CAD). I clienti operano in 12 settori e in 159 paesi.Dassault Systems).

L'ampia integrazione della piattaforma segnala che l'utilizzo dell'intelligenza artificiale, almeno per alcuni flussi di lavoro aziendali, è ormai mainstream. Le stesse tecnologie generative che stanno trasformando il settore aerospaziale stanno rimodellando anche altri settori come quello automobilistico, spaziale ed energetico. Gli strumenti di intelligenza artificiale stanno accelerando la prototipazione, riducendo gli sprechi di materiale e consentendo ai team di modellare sistemi complessi e testare ipotesi.

Con l'aumento delle organizzazioni che adottano la simulazione, la modellazione dei dati e gli insight basati sull'intelligenza artificiale, cresce la necessità di una sua implementazione più ampia. Per qualsiasi azienda che progetti prodotti, gestisca sistemi, analizzi dati sulle prestazioni o applichi protocolli di governance, l'intelligenza artificiale offre un valore immediato e misurabile.

La tecnologia dei gemelli digitali dell'intelligenza artificiale è alla base dell'aviazione. Quello che è nato come strumento di visualizzazione e progettazione è diventato un pilastro dell'innovazione per quasi ogni aspetto del volo e della gestione degli aeromobili. Questa tecnologia guiderà presto la gestione dello spazio aereo in tempo reale e le esperienze personalizzate dei passeggeri. Il confine tra virtuale e fisico diventerà sempre più sfumato.

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Domande frequenti

Da quanto tempo esiste la tecnologia dei gemelli digitali?

Il concetto alla base dei gemelli digitali può essere fatto risalire al programma Apollo della NASA negli anni '60, quando gli ingegneri costruirono repliche terrestri esatte di veicoli spaziali per simulare guasti e testare scenari critici per la missione prima del volo (Server di rapporti tecnici della NASA). Le radici teoriche fondamentali vanno ancora oltre: al libro di David Gelernter del 1991Mondi Specchio, che prevedeva riflessi digitali di sistemi complessi (Scimmia).

Le applicazioni manifatturiere sono emerse nel 2002, quando il dott. Michael Grieves dell'Università del Michigan ha introdotto il modello degli spazi speculari, ponendo l'asset fisico, la controparte virtuale e il collegamento dati al centro di ciò che oggi chiamiamo gemelli digitali (MDPI).

Ma il termine “gemello digitale” è stato coniato per la prima volta nel 2010 dal tecnologo della NASA John Vickers, che lo ha formalmente definito nella tabella di marcia dell’agenzia per la replicazione, la simulazione e la manutenzione dei veicoli spaziali (IN).

Da quanto tempo la tecnologia dei gemelli digitali viene utilizzata nell'aviazione?

Fin dall'inizio della tecnologia, i gemelli digitali sono stati utilizzati per l'industria aerospaziale. I gemelli digitali sono stati utilizzati per la prima volta per il programma Apollo della NASA negli anni '60 (Server di rapporti tecnici della NASA).

Altri settori, tra cui la produzione, l'automotive, l'assistenza sanitaria e l'edilizia e l'architettura (AEC), non hanno iniziato ad adottare in modo significativo la tecnologia dei gemelli digitali fino agli anni 2010, poiché ha consentito tecnologie come i sensori IoT e il cloud computing (Approfondimenti Deloitte).

All'inizio degli anni 2020, città come Singapore, Shanghai ed Helsinki hanno adottato i gemelli digitali per simulare infrastrutture urbane, modelli di traffico e impatti ambientali. Allo stesso tempo, le aziende di servizi pubblici hanno iniziato ad adottare i gemelli digitali per monitorare reti elettriche, condotte e sistemi idrici in tempo reale (Approfondimenti Deloitte,PricewaterhouseCoopers).

I gemelli digitali sono il punto di arrivo dell'evoluzione della tecnologia dell'intelligenza artificiale?

I gemelli digitali sono un punto intermedio, non la fine del percorso. I gemelli digitali sono fondamentali per il prossimo capitolo: gemelli cognitivi e fili digitali (Facoltà di Tecnologia, Pontificia Università Cattolica del Paraná).

I gemelli cognitivi vanno oltre il mirroring e la simulazione dei sistemi: utilizzano l'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico per prendere decisioni autonome in tempo reale. Questi modelli di nuova generazione possono ottimizzare la produzione, reindirizzare la logistica e persino autocorreggersi senza l'intervento umano. Siemens sta già sviluppando sistemi che fondono l'intelligenza artificiale con flussi di dati in tempo reale, consentendo risposte più intelligenti nelle reti industriali (Siemens Xcelerator).

La seconda frontiera è il thread digitale, che collega i singoli gemelli lungo l'intero ciclo di vita del prodotto. A differenza dei modelli standalone, i thread digitali integrano i dati dalla progettazione alla dismissione, consentendo una vera tracciabilità end-to-end e un'ottimizzazione a livello di sistema. Nell'aviazione e nella difesa, ciò potrebbe significare che le autorità di regolamentazione certificano virtualmente i sistemi aeronautici, utilizzando simulazioni che sostituiscono molti test fisici (Approfondimenti Deloitte).