Per garantire il collegamento in rete digitale dei sistemi di produzione e l'ottimizzazione dei requisiti specifici dei materiali, dobbiamo misurare, analizzare e replicare i cambiamenti nelle proprietà dei materiali in un processo in cui vengono creati "gemelli digitali" di materiali. Lo spazio dati sui materiali sviluppato dai ricercatori Fraunhofer ha posto le basi per questo processo.

Quando un pezzo finito esce dalla linea di produzione, questa è una delle prime domande che mi vengono sempre poste:"Questo componente ha le proprietà che desidero?" Spesso, anche la più piccola delle variazioni nell'ambiente di produzione è sufficiente per alterare le proprietà del materiale di una parte e metterne in discussione la funzionalità. I produttori lo evitano ispezionando meticolosamente i campioni durante tutto il processo di produzione. Scomporre i campioni nelle loro parti composite e misurarli separatamente è un processo che richiede molto tempo. "Il risultato del processo di test del campione si dirama in una serie di diversi sottoinsiemi, ciascuno con i propri risultati di misurazione specifici, " spiega il dottor Christoph Schweizer, Responsabile della Valutazione dei Materiali, Lifetime Concepts business unit presso l'Istituto Fraunhofer per la meccanica dei materiali IWM di Friburgo. "Mentre gli esperti possono essere in grado di tenere a mente una panoramica delle complesse interrelazioni, fino ad ora non c'era modo di prendere la diversità dei dati risultanti e ritrarli in un formato digitale coerente".

Un gemello digitale per ogni materiale

Ora, per la prima volta, i ricercatori del Fraunhofer IWM hanno sviluppato una prova del concetto che dimostra che è possibile rappresentare digitalmente molti di questi cicli di lavorazione dei materiali con uno spazio dati sui materiali per i campioni di prova prodotti utilizzando la produzione additiva. "Il concetto di spazio dati ci consente di integrare qualsiasi tipo di informazione materiale in una rete digitale:uno strumento davvero prezioso, soprattutto nel contesto di Industria 4.0, " afferma Schweizer. "Vogliamo utilizzare lo spazio dei dati dei materiali per generare automaticamente un gemello digitale di ciascun materiale che rispecchi lo stato attuale dell'oggetto fisico in esame".

Il vantaggio dello spazio dati sui materiali è che fornisce una panoramica di tutti i parametri rilevanti a colpo d'occhio, mentre in precedenza i dati sui diversi parametri dei materiali erano sparsi tra numerosi archivi di dati in molti formati diversi. Ma la vera promessa è più avanti. "Negli anni a venire, lo spazio dei dati sui materiali ha il potenziale per diventare il centro di comando della produzione. Ogni volta che la qualità dei componenti non è all'altezza dello standard previsto, puoi confrontarlo con le informazioni sui componenti precedenti memorizzate nello spazio dati dei materiali per determinare se il componente attuale può essere effettivamente utilizzato o se deve essere rifiutato, " dice Schweizer. In futuro, questi risultati potrebbero essere automaticamente integrati nei processi decisionali industriali:ogni volta che la qualità dei componenti scende al di sotto dello standard richiesto, la produzione si ferma automaticamente.

Una struttura dei materiali basata sull'ontologia

La creazione dello spazio dati e la gestione della diversità dei dati sui materiali richiede un modello di informazioni corrispondente. "In questo caso, il modello riflette il mondo materiale naturale, in cui gli stati e le proprietà dei materiali sono assegnati a categorie definite, " spiega il dottor Adham Hashibon, ricercatore in processi produttivi presso il Fraunhofer IWM. I ricercatori attingono a una struttura basata sull'ontologia di logica e gerarchia fisse. Il modo migliore per pensarci è in termini di social network, come Facebook. Ogni persona su Facebook è un nodo della rete. E a sua volta, questi nodi hanno le proprie associazioni, ad esempio, gusto musicale. "Quello che facciamo è creare relazioni semantiche tra i singoli oggetti materiali e le loro fasi di elaborazione associate, " dice Hashibon. Poi ci sono anche interrelazioni tra queste comunità. Quella che sarebbe un'amicizia su Facebook è rappresentata nello spazio dati dei materiali da dettagli sulla sequenza cronologica delle fasi di produzione o di lavoro, ad esempio "lasciando il processo di produzione additiva" o "questo laser fa parte del processo di stampa 3D".

Il nuovo dimostratore per componenti metallici prodotti in modo additivo (menzionato in precedenza) ha la capacità di generare campioni, caratterizzano i materiali che contengono, condurre la successiva analisi dei dati e determinare le proprietà del materiale. Grazie alla logica alla base del modello, gli utenti possono effettuare query estremamente complesse dello spazio dati che semplicemente non sarebbero possibili con lo stesso grado di flessibilità nel caso di un database convenzionale. Attraverso il suo lavoro pionieristico sugli spazi di dati digitalizzati, il Fraunhofer IWM sta dando un contributo significativo alle iniziative europee sulla modellazione dei materiali come parte dell'European Materials Modeling Council, nonché alla Strategia di digitalizzazione dello stato tedesco del Baden-Württemberg. A medio termine, i ricercatori intendono convertire tutte le funzioni di amministrazione dei dati utilizzate dal Fraunhofer IWM nel modello dello spazio dei dati. Attualmente stanno cercando partner di collaborazione e utenti pilota per questa e altre applicazioni, che condivideranno poi la possibilità di dare forma a sviluppi innovativi di nuovi materiali.