A Scalable Tool Modeling Architecture for High-Fidelity Digital Twin Environments`

Abstract

Este trabalho aborda uma limitação crítica na plataforma de gêmeos digitais da gemineers GmbH, uma empresa de software que fornece soluções de gêmeos digitais para ambientes de manufatura por usinagem: a ausência de uma arquitetura de software escalável e precisa para a modelagem de ferramentas de corte. Na arquitetura de software de ferramentas original, as definições eram pouco flexiveis e suportavam apenas uma gama restrita de geometrias de fresamento, sem qualquer suporte nativo para ferramentas de torneamento, o que prejudicava a fidelidade da simulação devido à baixa resolução geométrica. Para solucionar esses desafios, foi proposta e implementada uma arquitetura modular de modelagem de ferramentas, combinando entidades reutilizáveis no banco de dados, uma ferramenta de parametrização de geometrias e uma interface de visualização tridimensional. O novo sistema permite que os usuários definam, visualizem e validem montagens de ferramentas de forma interativa, reduzindo significativamente o tempo necessário para a incorporação de novos tipos de ferramentas e ampliando a cobertura do catálogo. A integração com o backend da simulação possibilita a geração automatizada de malhas de ferramentas no formato de arquivo de estereolitografia e abrange características complexas como ângulos de saída, assentos de insertos e porta-ferramentas assimétricos. A solução aumentou o número de tipos de ferramentas oferecidas de 7 para 27, ao mesmo tempo em que reduziu o armazenamento de dados em 50%. A metodologia seguiu um design orientado a requisitos, com validação contínua dos resultados de simulação e da interação do usuário. Desafios remanescentes incluem a ampliação do suporte a ferramentas baseadas em DXF e a incorporação de lógica baseada em regras para validar automaticamente montagens. O projeto entrega valor operacional e tecnológico significativo à empresa ao reduzir custos de infraestrutura, acelerar o ritmo de desenvolvimento e aumentar a confiança dos usuários em simulações digitais. Além disso, fornece uma base robusta para funcionalidades futuras, como monitoramento de desgaste de ferramentas e integração com o conceito de gêmeos digitais. Ao modernizar o fluxo de modelagem de ferramentas, este trabalho estabelece os alicerces para um ambiente de simulação mais inteligente e flexível, alinhado às crescentes demandas de sistemas de manufatura de alta fidelidade.

This work addresses a critical limitation in gemineers GmbH, a software company that provides digital twin solutions for machining manufacturing environments: the absence of a scalable and accurate framework for modeling cutting tools. In the original tool software architecture, definitions were rigid and supported only seven fixed milling geometries without any native support for turning tools. This old monolithic schema relied on low-resolution approximations and could not capture the complex shapes required for high-fidelity simulations. To overcome these challenges, it was designed and implemented a modular tool modeling architecture combining three key components: reusable database entities, a parametric geometry engine, and a three-dimensional visualization interface. The new system enables users to define, visualize and validate tool assemblies interactively, dramatically reducing the time required to onboard new tool types and expanding catalog coverage. Integration with the simulation backend enables automated generation of tool meshes in the Standard Tessellation Language (STL) and supports advanced features such as relief angles, insert seats and asymmetric holder geometries. As a result of this modular approach, the number of supported tool types increased from 7 to 27 while data storage requirements were reduced by 50%. The methodology followed a requirement-driven design, with continuous validation of simulation output and user interaction. Remaining challenges include expanding support for Drawing Exchange Format (DXF)-based tools and adding rule-based logic to automatically validate assemblies. The project delivers significant operational and technological value to the company by lowering infrastructure costs, increasing development speed, and improving user confidence in digital simulations. Furthermore, it provides a robust foundation for future capabilities such as tool wear tracking and digital twin integration. By modernizing the tool modeling pipeline, this work lays the groundwork for a more intelligent and flexible simulation environment aligned with the growing demands of high-fidelity manufacturing systems.