La prototipazione virtuale è una metodologia operativa che impiega le tecniche di modellazione e di simulazione numeriche per sviluppare un prodotto in modo da ridurre (o addirittura evitare) la costruzione di prototipi fisici e quindi risparmiare tempi e costi.
In sostanza, il prototipo virtuale di un generico sistema meccanico è un modello numerico che contiene il maggior numero possibile delle informazioni di prodotto e di processo necessarie alla sua realizzazione e anche, ricorrendo a tecniche di realtà virtuale, alla sua valutazione estetica e, se del caso, ergonomica.
L’uso della prototipazione virtuale durante la fase di sviluppo di un prodotto è stato finora ostacolato, oltre che dalle difficoltà per modellare correttamente la realtà e dalla limitata circolazione di informazione soprattutto presso le PMI, anche da limiti oggettivi quali:

  • risorse computazionali costose;
  • scarsa integrazione degli strumenti software (si pensi, ad esempio, alla mole di lavoro generalmente richiesta per passare dal modello CAD, completo di tutti i dettagli di lavorazione, al modello a Elementi Finiti che, in generale, deve esserne privo).

Superata la barriera derivante dalle risorse computazionali richieste grazie alla potenza a basso costo dei PC attuali, anche il problema della condivisione del modello con i vari strumenti software utilizzati per le simulazioni dei vari stadi di sviluppo del prodotto è in gran parte risolto, restando solo da valutare il grado di efficienza tra le tecniche (o meglio, “filosofie”) di interscambio dati oggi disponibili.

Gli strumenti della prototipazione virtuale

Trascurando la Realtà Virtuale, l’impostazione della tecnica di prototipazione virtuale per sistemi meccanici si compone di tre classi di strumenti di base che devono essere ben integrati tra loro:

  • sistema CAD con modellatore geometrico tridimensionale;
  • sistema di simulazione del prodotto;
  • sistema di simulazione dei processi.

Il CAD 3D

Il CAD tridimensionale consente di definire il modello geometrico che è alla base di tutte le attività successive.
Un modellatore efficiente deve soddisfare almeno questi requisiti fondamentli:

  • consentire la descrizione, senza ambiguità, della geometria dell’oggetto;
  • catturare, in maniera non ambigua, l’intento dell’operatore CAD;
  • consentire la modellazione guidata da variabili (variable driven modeling), in maniera tale che dopo ogni modifica introdotta sia possibile rigenerare automaticamente il modello;
  • supportare il concetto di associatività, ciò che consente la propagazione automatica delle modifiche apportate in un dato stadio di sviluppo (es. nel CAD) a tutte le altre fasi (es. fabbricazione) costituenti il ciclo di sviluppo del prodotto.

La modellazione solida, parametrica, basata su feature, è lo strumento di modellazione che consente più di ogni altro, allo stato attuale, di soddisfare i requisiti sopra elencati.

Gli strumenti di simulazione del prodotto

Questi strumenti, che consentono di simulare il comportamento fisico del modello geometrico realizzato con il CAD 3D, nel caso specifico del sistema meccanico oggetto di benchmark sono:

  • simulatore cinetodinamico;
  • software Elementi Finiti.

L’analisi cinetodinamica multibody di un meccanismo è basata sulla formulazione e soluzione di un sistema di equazioni differenziali accoppiate a equazioni algebriche vincolari di cui generalmente non è possibile trovare la soluzione in forma chiusa.
Il codice di calcolo, noti i vincoli, le proprietà di massa e i carichi esterni, consente di valutare le reazioni vincolari e le forze di inerzia agenti sui membri del meccanismo.
Appare chiaro che per soddisfare i requisiti della prototipazione virtuale, il simulatore deve fornire non solo la soluzione numerica delle equazioni di moto, ma deve anche essere in grado di:

  • realizzare le analisi senza necessità di ricostruire il modello;
  • supportare, mediante la ricognizione della geometria del modello CAD, l’automazione delle attività di scrittura delle equazioni di moto (masse, momenti di inerzia, ecc.);
  • supportare, mediante la ricognizione dei vincoli posti nel CAD durante l’assemblaggio, l’automazione delle attività di scrittura delle equazioni vincolari o comunque permetterne la definizione mediante approccio grafico;
  • supportare il concetto di associatività e variable driven modeling;
  • realizzare analisi di collisioni;
  • fornire i risultati come simulazione realistica.

I risultati delle simulazioni cinetodinamiche definiscono, insieme ai vincoli ed alle forze esterne, le condizioni al contorno per le analisi agli Elementi Finiti sui componenti del meccanismo.
Per essere usati come strumenti di prototipazione virtuale anche questi software devono avere, oltre alle caratteristiche classiche (qualità del solutore, tipi possibili di analisi, metodi di convergenza, algoritmi di generazione di elementi (mesh), possibilità di sottomodellazione o ottimizzazione, ecc.), requisiti specifici per:

  • realizzare le analisi senza necessità di ricostruire il modello;
  • supportare la possibilità di importare le condizioni al contorno dal simulatore cinematico;
  • supportare il concetto di associatività e variable driven modeling.

Gli strumenti di simulazione dei processi

Gli strumenti di simulazione dei processi sono tutte quelle applicazioni che consentono di modellare i procedimenti tecnologici necessari alla realizzazione del prodotto: ad esempio per un gruppo composto da parti ottenute per fusione di leghe metalliche, per stampaggio di materie plastiche e per asportazione di truciolo, sarà necessario disporre di software che consentano di realizzare analisi di castability, moldability e di generare percorsi utensili e programmi NC.
Anche tali applicazioni devono essere in grado di:

  • realizzare le analisi senza necessità di ricostruire il modello;
  • supportare il concetto di associatività e variable driven modeling.

Problemi di base della prototipazione virtuale

Il prototipo virtuale è stato definito come un modello numerico contenente tutte le informazioni di prodotto e di processo generate dai software utilizzati nelle diverse fasi di progettazione e di sviluppo.
Ciò comporta un’organizzazione della progettazione ben definita e strutturata che si appoggia, in primo luogo, su un
sistema di programmi in grado di garantire:

  • l’unicità del modello costituente il prototipo virtuale: tutte le applicazioni devono accedere ad un unico modello numerico, sia per limitare il costo in termini di modellazione e occupazione di memoria sia per evitare definizioni ridondanti di dati;
  • l’accesso al modello numerico da parte delle varie applicazioni: sebbene il database debba essere unico, non necessariamente le varie applicazioni devono utilizzare il modello numerico completo per le loro analisi (ad esempio informazioni geometriche di dettaglio come smussi, raccordi, ecc. sono del tutto inessenziali in analisi cinetodinamiche, ma fondamentali quando si utilizza un CAM).
    Sorge dunque la necessità di estrarre dal modello numerico del prototipo virtuale, dei “sottomodelli”, qui intesi come modelli “parziali” contenenti solo le informazioni necessarie alla varie analisi;
  • l’associatività tra modello e sottomodelli: ogni modifica introdotta sul modello numerico completo si deve ripercuotere su tutti i sottomodelli utilizzati nelle varie analisi e viceversa;
  • la congruenza tra i modelli utilizzati: tutte le applicazioni, nello stesso istante di tempo, devono avere accesso alla medesima e più recente versione del prototipo virtuale.

A questi aspetti di gestione del modello di prototipo virtuale si aggiunge, in vista dell’ottimizzazione spinta del processo progettuale, l’opportunità di riorganizzare le attività avendo particolare riguardo alla gestione dei documenti (file, report, archivi, ecc.) legati alle varie fasi di creazione e sviluppo del prodotto.
È di grande importanza, infine, tenere sempre ben presente che gli strumenti software per la prototipazione virtuale, molto spesso dotati di interfacce verso l’utente sempre più “amichevoli”, allargano il bacino di utenza delle analisi numeriche spinte anche a operatori non specialisti. Ciò naturalmente è un rischio non indifferente, dal momento che i sistemi software non riconoscono la cultura di chi li usa e che vale il principio “garbage in, garbage out”.
Quindi è indispensabile che l’utente di questi strumenti abbia in primo luogo una solida cultura tecnica di base oltre che un’adeguata formazione specifica.
D’altra parte esisteranno sempre molte difficoltà a definire con precisione il comportamento di gran parte dei sistemi fisici e quindi a ottenere buoni modelli: allora può diventare utile l’esperienza, grazie alla quale si possono definire procedure guidate per alcune attività quali la modellazione geometrica, la scelta e la generazione degli elementi finiti, la schematizzazione dei vincoli, i criteri di analisi dei risultati e quindi di validazione del modello.

Lo scambio dati tra programmi

L’utilizzo del modello CAD per simulazioni di prodotto e di processo in una catena di strumenti software non ottimizzata fa nascere il problema dell’intellegibilità del database da parte dei vari componenti la catena stessa. Allo stato attuale sul mercato si confrontano modi diversi di concepire l’accessibilità al database comune basati su:

  • Integrazione verticale con formati standard (Interoperability): ciascuna applicazione (CAD, CAM, FEM, ecc.) è la più adatta, nel proprio settore, a soddisfare le esigenze dell’utente.
    Vantaggi: ampia possibilità di scelta; garanzia dello sviluppo dei prodotti; ogni software è in grado di funzionare autonomamente.
    Svantaggi: tutti i limiti connessi allo scambio dati in formato neutro.
  • Integrazione verticale basata su traduttori: i traduttori possono essere sviluppati da terze parti o da una delle case produttrici dei prodotti che devono interagire tra loro (traduttori diretti).
    Vantaggi: ampia possibilità di scelta; ogni software è in grado di funzionare autonomamente;
    associatività monodirezionale (nel caso di traduttori diretti).
    Svantaggi: non sempre i traduttori sono di facile reperibilità e non sempre sono affidabili ed accurati.
  • Sistemi a struttura modulare in cui tutti i moduli sono realizzati dalla stessa casa (per esempio Pro/Engineer, Ideas, Cimatron).
    Vantaggi: integrazione basata su di un solo database; associatività bidirezionale tra i moduli.
    Svantaggi: non tutti i moduli hanno lo stesso livello di prestazioni e di sviluppo; scarsa possibilità di scelta; non sempre i moduli sono in grado di funzionare autonomamente (per esempio se si acquista una licenza di CAD/CAM non si può usare il CAM se si sta usando il CAD e viceversa).
  • Sistemi a struttura aperta basati su un’unica interfaccia verso l’utente, sono costituiti da software,
    prodotti da aziende diverse, che si collegano al CAD utilizzando lo stesso “ambiente” e lo stesso database.
    Vantaggi: utilizzo dello stesso database e della stessa interfaccia; associatività bidirezionale tra i vari moduli; ampia scelta di prodotti.
    Svantaggi: si tratta di sistemi in fase di rapido sviluppo, non sempre al livello di sistemi stand-alone; i vari software integrati funzionano solo in concomitanza con il CAD.

Si deve osservare che, in generale, la traduzione dei dati in formati diversi provoca una corruzione, più o meno importante, delle informazioni a causa sia della diversa precisione numerica con cui vengono rappresentati i dati nei database dei vari sistemi, sia delle prestazioni dei traduttori.
Tipicamente ciò si concretizza in cancellazione di entità geometriche o in una errata definizione delle connessioni tra le entità (errori sulla topologia).
Gli errori più probabili si riscontrano naturalmente nelle geometrie complesse quali superfici e raccordi, ma talvolta anche entità semplici vengono ricostruite in maniera non accurata: ad esempio una segmento di retta può essere convertito in un insieme di segmenti più piccoli complicando inutilmente il modello e rendendolo di difficile interpretazione ad esempio per un programma CAM.
Per chiarezza, è utile richiamare a questo punto alcune precisazioni sulla tecnica di trasferimento dei dati.
Il formato di scambio cosiddetto neutro permette la comunicazione tra programmi diversi per mezzo di un pre-processore, che traduce le informazioni del database specifico nel formato comune, e di un postprocessore per il passaggio inverso. I formati neutri più usati sono IGES, il primo uscito sul mercato e il più diffuso, STEP e VDA-FS.
I traduttori diretti hanno prestazioni superiori ma complicano la catena del software necessario per la prototipazione virtuale, poiché per ogni coppia di applicazioni che debbano intercomunicare sono necessari
due traduttori, uno per direzione.
L’ultima grande categoria è rappresentata dai formati neutrali proprietari, che consentono agli utenti di software diversi, ma fondati sugli stessi motori geometrici (ad esempio ACIS o Parasolid), di trasferire con buona efficienza i relativi modelli geometrici.

Gestione elettronica dei dati (PDM)

Un’azienda si trova a gestire un’enorme mole di documenti e modelli in diversi formati e spesso collegati tra loro in virtù dell’associatività bidirezionale, per cui una modifica ad un documento si ripercuote su ogni documento ad esso correlato.
Ad esempio, la modifica ad un componente di un assieme implica la modifica dell’assieme stesso, di eventuali altri assiemi contenenti la parte in questione, di disegni, manuali, tavole di montaggio ed eventualmente modelli di analisi e simulazione.
Questi problemi sono ancora più rilevanti se si lavora in ambiente multiutente ed in ambito di lavoro parallelo.
È chiaro che devono essere sempre rispettati i requisiti fondamentali dell’informazione: unicità, certezza e reperibilità.
Un importante passo in questa direzione è stato fatto con l’avvento dei sistemi PDM (Product Data Management) per la gestione elettronica dei dati.
Questi sistemi, nati negli anni ottanta come strumenti per la grande azienda, hanno conosciuto recentemente un grande sviluppo e diffusione, venendo sempre più incontro alle esigenze delle PMI.
Un software di PDM svolge i seguenti compiti:

  • proteggere i documenti da sovrascritture, cancellazioni ed errori accidentali di ogni genere;
  • regolamentare gli accessi ai documento, in modo che solo le persone autorizzate possano compiere determinate operazioni;
  • gestire l’archivio delle revisioni dei vari documenti (ciclo di vita);
  • gestire i collegamenti tra i documenti;
  • offrire sistemi di ricerca dei documenti nell’archivio completi e flessibili;
  • condividere i dati anche al di fuori dell’ufficio tecnico.

Questo si traduce in vantaggi significativi, quali:

  • riduzione dei tempi di progettazione, grazie alla eliminazione dei tempi morti dovuti a problemi nella ricerca delle corrette revisioni dei documenti, perdita di informazioni, cattiva comunicazione tra reparti;
  • ottimizzazione della progettazione, in quanto un utente ha facilmente a disposizione tutto il database aziendale, e quindi il know-how, che può sfruttare per nuovi progetti ricorrendo all'innovazione o alla riprogettazione ex novo dei particolari solo quando necessario; per gli stessi motivi è più facile confrontare diverse alternative fino all’ottenimento della soluzione progettuale migliore.
    La condivisione dei dati inoltre arricchisce la progettazione permettendo il simultaneo coinvolgimento di reparti diversi, se non addirittura di clienti e fornitori.

La transizione dal 2D al 3D

Spesso il periodo di transizione dai CAD bidimensionali ai modellatori solidi o di superficie è estremamente temuto in quanto rappresenta un’incognita e si pensa possa determinare una contrazione significativa della produttività. In realtà, seguendo poche e semplici regole e consigli, tali timori si rivelano infondati.
La durata del periodo di transizione è variabile e dipende da diversi fattori:

  • corretta scelta del software: può sembrare superfluo dirlo, in quanto è ovvio che un software non completamente adatto alle proprie esigenze necessita di più personalizzazioni, dello studio di procedure e percorsi alternativi che inevitabilmente allungano questa fase; è tuttavia conveniente spendere qualche risorsa in più in questa fase: si tratta di un investimento che ha sempre un ritorno vantaggioso. Nel caso della PMI può essere opportuno rivolgersi a soggetti specializzati in questo tipo di attività, piuttosto che basarsi sul confronto delle dichiarazioni dei venditori.
  • curva di apprendimento del software: descrive il tempo necessario ad un utente medio per raggiungere una conoscenza ottimale del prodotto.
    È un fattore che deve essere tenuto in conto al momento della scelta del software in quanto l’ordine di grandezza può variare dalle settimane ai mesi a seconda dei prodotti.
  • tempo e risorse umane investite dall’azienda nell’utilizzo del nuovo software: non si può pretendere di implementare il passaggio dal 2D al 3D senza una seria organizzazione e programmazione.
    In caso contrario i tempi di apprendimento si allungano oltre misura, eventuali problemi o strategie errate si presentano con ritardi alle volte inaccettabili.
  • studio di strategie di modellazione e archiviazione corrette e funzionali: per quanto un CAD sia in grado di funzionare da subito, occorre, via via che si prende confidenza col prodotto, focalizzare l’attenzione sulla metodologia di lavoro e le procedure di archiviazione e gestione dei dati più adatte alle proprie esigenze, in modo da non dover in seguito fare brusche inversioni di marcia. Questo è tanto più importante quanto maggiore è il numero di utenti.

Si riportano di seguito alcuni suggerimenti per ottimizzare la durata del periodo di transizione e trarre da esso i maggiori vantaggi per il futuro:

  • Apprendimento: sia che si decida di seguire un corso, sia che si propenda per l’autoapprendimento, è fortemente consigliabile approfondire la conoscenza di tutti gli aspetti e le funzioni del programma acquistato, anche di quelli che si ritengono di scarso interesse per le proprie esigenze.
    Questa deve essere l’occasione per iniziare a rivedere le proprie procedure di progettazione senza preclusioni e preconcetti.
    Ci sono funzioni che non si sono mai utilizzate perché con il precedente software non erano gestibili o di difficile utilizzo o addirittura non ipotizzabili.
  • Quando iniziare: una buona occasione per iniziare a lavorare con il nuovo software può essere in corrispondenza di un nuovo progetto. In questo modo si progettano nuove parti e si "solidifica" tutta e sola la parte dell’archivio funzionale al nuovo progetto.
  • Gestione dell’archivio di disegni 2D: non bisogna assolutamente farsi prendere dalla frenesia della conversione dei disegni nel formato 2D del nuovo software.
    Un modellatore 3D raramente offre all’interno del suo ambiente bidimensionale la stessa flessibilità di un software 2D. Valutare la possibilità di tenere in funzione durante il periodo di transizione una o alcune stazioni del vecchio software. Valutare inoltre se, piuttosto che convertire, non convenga "solidificare" alcune parti strategiche dell’archivio.
  • Chiarire i concetti fondamentali: le caratteristiche di associatività e bidirezionalità dei moderni sistemi CAD, insieme a molte altre importanti funzioni, possono apportare vantaggi fondamentali a condizione di sfruttarle correttamente. Per questo è importante familiarizzarsi subito non soltanto con le funzioni di modellazione o assemblaggio, ma soprattutto con i concetti fondamentali che regolano la propagazione delle modifiche tra ambienti diversi, la gestione di famiglie di progetti, la condivisione dei dati.
  • La gestione dell’archivio: la mole di file che deve essere gestita utilizzando modellatori 3D è molto maggiore che nel caso di sistemi 2D.
    Normalmente si ha a che fare con file di parti, assiemi che si riferiscono a parti e tavole che si riferiscono a parti e assiemi. Per questo motivo occorre strutturare correttamente l’archivio fin dall’inizio, in quanto si corre il rischio non soltanto di non trovare una certa revisione di un documento, ma anche di perdere i riferimenti (e quindi l’associatività) tra parti, assiemi e tavole.
    Un corretto modello di dati può avere in certi casi un impatto sulla produttività pari a quella del CAD stesso. Per questa ragione si stanno diffondendo sempre di più sistemi di gestione elettronica dei dati tecnici (PDM, Product Data Management) accessibili anche per piccole e medie aziende.
  • Il supporto tecnico: avvalersi quanto più possibile del supporto tecnico fornito dal rivenditore di software.
    Eventualmente valutare la possibilità di acquistare alcuni di giorni di consulenza in azienda di un tecnico esperto del software acquistato.

Tratto dagli appunti del Corso di Disegno Assitito al Calcolatore dell'Università di Prato.


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