Fare additive manufacturing con blockchain

Tutti i punti di una catena digitale sono visibili, migliorabili, ma anche attaccabili e blockchain potrebbe essere una soluzione per proteggerli.

Le soluzioni di creazione di valore interamente digitali hanno finora preso piede solamente in quei settori nei quali si rendeva immateriale la documentazione, come la fatturazione o l’editoria.

Nel caso, invece, si parli di produzione di oggetti fisici la situazione è diversa. Il rinnovamento della produzione sta esponendo il processo produttivo a un ripensamento, che però al momento è digitale solamente in alcune sue parti. L’obiettivo finale è avere un unico processo che permetta di sviluppare in modo immateriale tutte le fasi di produzione.

Quando questo modello sarà stato implementato in un numero rilevante di siti in tutto il mondo, allora si potrà parlare di produzione digitale; inoltre, solo da allora potrà partire la vera fase di ripensamento delle fasi di ricerca, progettazione e produzione.

Le quattro fasi del processo digitale

Un termine con il quale si sta definendo il processo produttivo digitale nella sua interezza è Dtam, acronimo di Digital Thread for additive manufacturing. Il secondo termine chiarisce bene il concetto: un thread permette di mettere in fila tutti i passi successivi, d’un processo, quasi come infilando perline su un unico filo. Si tratta di una completa schematizzazione dei processi di produzione con tecnologie additive, grazie alla quale si può implementare la vera digital transformation verso un paradigma moderno e competitivo.

Un documento chiaro che definisce obiettivi e fasi del Dtam è stato sviluppato nel 2016 dalla Deloitte University Press  ed articolato su quattro fasi: scan/design, analyze; build and monitor; test and validate; deliver and manage. Vediamoli in dettaglio.

Scan/Design, Analyze

Il Dtam inizia con la scansione, progettazione e analisi, una fase che avviene interamente nel mondo digitale. Serve la realizzazione di un modello dell’oggetto da produrre. Gli strumenti a disposizione sono l’acquisizione tramite scanner, immediata ma con incognite nel modello acquisito, oppure il disegno diretto in 3D.

Al termine della modellazione è necessario controllare che la descrizione del progetto sia compatibile con i dispositivi per produrlo. Al termine del processo è necessario avere un modello digitale esatto e producibile dell’oggetto fisico in questione.

Sia la scansione, sia le scelte dei diversi software di progettazione, generano dati transazionali la cui analisi permetterebbe di migliorare il processo complessivo. In genere queste fasi vengono parzialmente gestite con software Plm (Product Lifecycle Management), ma il quadro complessivo è frammentato e non gestibile in modo completo: basti pensare ai problemi di compatibilità dei vari formati di memorizzazione dei file.

Build and Monitor

È questa la fase della trasformazione in oggetto fisico del modello digitale creato nella fase 1. Anche se richiede e scambia dati digitali, la produzione avviene nel mondo fisico. Nella sua realizzazione sono coinvolti grandi quantità di dati già oggi necessari; inoltre è sempre in questa fase che si prevede l’aumento della mole dei dati per sviluppi di automazione dei sistemi di produzione. Un esempio è la produzione di dati di coordinamento tra stampanti e/o robot, come previsto dal paradigma tedesco Industrie 4.0 (non dai progetti di finanziamento statale associati a questo nome).

La produzione di questi dati è essenziale per molti motivi. Innanzitutto per la certificazione delle parti intere, che possono essere prodotte anche da macchinari diversi, sia nella stessa fabbrica, sia in locazioni diverse. Poi per la congruenza di eventuali sottoassiemi, che una volta assemblati devono garantire la ricostruzione dell’oggetto finale.

Questi sono elementi che ridefiniscono il controllo di qualità; allo stesso modo, i dati in questione possono essere usati anche per ricostruire la proprietà intellettuale di ogni singolo sottoassieme.

La gestione di questi dati, per distribuzione e quantità, è un problema non banale di infrastruttura informatica.

Test and Validate

La fase 3 coinvolge entrambi i mondi, quello digitale e quello fisico, e richiede molte tecniche di controllo nel passaggio dall’uno all’altro e viceversa. In questa fase si parla di “digital twin”, il gemello digitale dell’oggetto fisico, al quale sono associati molti più dati di quelli necessari alla generazione del modello della fase 1.

La sfida principale della fase 3 è l’assoluta identità tra progetto digitale ed oggetto prodotto. Il controllo di eventuali difetti o misure di tolleranza, non solamente quelli evidenti, ma anche quelli da schemi più complessi, può essere vitale. Sottolineiamo che si tratta di elaborare una mole di dati con software di analisi specifici. E necessario come garanzia di qualità e certificazione, nonché per la messa a punto e il miglioramento continuo dei processi.

Deliver and Manage

Al termine della produzione, gli oggetti vanno consegnati. Questa fase non è diversa da ciò che normalmente succede nella consegna di altri manufatti. Purtuttavia viene prodotta una certa quantità di dati di tracciamento che possono essere molto utili.

L’utilità della catena

La Dtam rende chiaro e trasparente il processo di produzione, interamente regolato con dati disponibili. Al momento, però, questi dati vengono in parte buttati, in parte memorizzati in sistemi che non si parlano o si parlano poco, per svolgere analisi frammentate e parziali. Sarebbe necessario avere un sistema di raccolta dati omogeneo, distribuito e sicuro, in modo diretto, ovvero senza intermediazione da terze parti obbligate, come accade per le transazioni finanziarie, gestite forzatamente tramite istituti bancari.

La blockchain offre proprio questo, ed è quindi una scelta logica, anche se non l’unica. In particolare, la sicurezza dei dati che girano sulla blockchain è garantita dalla crittografia, che rende difficile l’estrazione dei dati originali. Nel descrivere la blockchain bisogna sempre scontrarsi con la cattiva informazione che propone temi tecnologici. In particolare, questa tecnologia di registrazione dati viene spesso confusa con il primo e principale uso che la ha resa famosa, ovvero la moneta virtuale Bitcoin.

Nel vedere associata la blockchain alla produzione additiva, in genere, ci si domanda cosa c’entri una valuta virtuale. La risposta è semplicissima: la valuta non c’entra niente, ma la tecnologia di registrazione dati distribuiti usata per le transazioni della valuta può essere usata anche nella fabbrica distribuita.

Ci si può chiedere come vengano regolate le scelte valide per tutti in un sistema distribuito. In un sistema gerarchico, i problemi di azione collettiva sono risolti in modo semplice: vengono imposti dall’alto. In un sistema distribuito la situazione è più articolata.

Fiducia automatica

La blockchain non elimina la necessità di fiducia tra le parti, né annulla i costi della transazione, ma li sostituisce con un meccanismo informatico che richiede capacità tecniche e che si confronta con la concorrenza, il cui controllo interessato rende più probabile l’esito positivo della transazione.

Il costo della singola transazione e la generazione del consenso non sono una costante nella blockchain: a seconda dell’ambiente di implementazione è possibile variarli. C’è da chiarire anche un aspetto di storage. Poiché la blockchain registra dati, e nella produzione industriale si tratta di grandi quantità di dati, si può pensare che questo sistema si occupi anche dello storage dei dati.

Non è così: la generazione di dati coerenti facilmente distribuibili in modo sicuro è il meccanismo logico di funzionamento. La loro memorizzazione fisica è affidata a specifiche soluzioni di storage.

La blockchain nella manifattura additiva

Vediamo ora come questo meccanismo di registrazione dei dati in modo distribuito e sicuro può essere impiegato nelle quattro fasi del Dtam viste prima.

Scan/Design, Analyze

La funzione di registro generale delle transazioni di blockchain consente di affrontare in modo chiaro e unico la successione delle operazioni sui file, attraverso una dotazione di metadati, completi di time stamp, che indichino la successione di generazioni, modifiche, analisi e trasmissione di ciascun file. I metadati possono comprendere anche versioni e configurazioni dei software impiegati. Si tratta d’una funzione essenziale già nell’impiego di software aperti o diffusi. Diventa determinante nel mondo della produzione, dove gran parte dei software impiegati è proprietario e riguarda dispositivi in movimento, come scanner o stampanti, che richiedono calibrazioni e tarature. La raccolta di questi metadati, inseriti in una successiva fase di analisi, porterebbe a inserire nel normale flusso di produzione del modello stampabile una serie di correttivi che anticipino il verificarsi di problemi che a valle sarebbero di risoluzione difficile, se non impossibile, con conseguente perdita del lotto.

Build and Monitor

Oggi i dati dei sensori non sono integrati nei flussi di controllo e non è infrequente che il set di sensori sia stato aggiunto successivamente ai dispositivi e abbia quindi una sua gestione.

La registrazione di questi dati in modo coerente con le altre informazioni, anche laddove non si tratti di metadati in senso stretto, rende disponibile a tutti gli stakeholder informazioni standard e non corrotte sulle quali effettuare analisi di ogni tipo, quasi in tempo reale, e ampie valutazioni di tipo statistico.

Nel caso in cui la produzione richieda un percorso di controllo (audit trail), inoltre, blockchain può aggiungere valore anche alla certificazione dei dati. Infatti l’aggiunta ai componenti di codici unici mantiene al sicuro anche dalle possibilità di contraffazione.

Test and Validate

Questa fase trae enorme vantaggio dalla registrazione di tutti i dati nella storia del singolo componente. Non richiede infatti analisi real-time e può quindi essere effettuata con il dovuto dettaglio, evidenziando qualsiasi modifica dei file originali. La natura distribuita del registro permette, inoltre, il controllo dei dati anche da parte di terzi coinvolti nel processo.

Deliver and Manage

Esistono già molti altri impieghi della blockchain al di fuori delle valute virtuali. La logistica richiede la disponibilità dei dati relativi a ogni passaggio di oggetti, quindi un registro generale e distribuito è l’ideale. Inoltre questo è un settore in continua trasformazione, secondo criteri che spesso sfuggono alla logica quotidiana, come mostra la gestione degli oggetti in uso nei magazzini di Amazon: non c’è altro criterio del numero d’ordine dello scaffale e dell’oggetto, entrambi affidati a codici a barre. Oggi la raccolta degli oggetti è affidata agli umani, ma sono già in sperimentazione soluzioni automatiche affidate a droni. Si può dire, quindi che il percorso, sia ben tracciato: nell’ambito della supply chain c’è già chi definisce blockchain come la base dello Scos, il Supply chain operating system.

L'esempio di Cubichain

Un aspetto sentito nell’ambito industriale riguarda la sicurezza dei dati e degli accessi alle reti. Gli impianti di grandi dimensioni soffrono per attacchi di hacker, anche perché il sistema più frequentemente implementato, lo Scada (Supervisory Control and Data), si è mostrato vulnerabile. In sé blockchain non risolve questo problema, ma fornisce le fondamenta per implementazioni che possano irrobustire l’aspetto.

È quanto fa Cubichain, una startup statunitense, crittografando i dati digitali critici e memorizzando le informazioni su una blockchain privata. Le informazioni così memorizzate costituiscono una copia immutabile dei dati originali e assicurano che le copie trasmesse dei dati non siano stati alterati, manomessi o violate. Cubichain usa l’implementazione Multichain, che estende il protocollo originale verso un’ampia gamma di tool open source software ed hardware. In questo modo si risolve gran parte dei problemi connessi a minacce quali l’hacking cyberfisico e la contraffazione.

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