I vantaggi della simulazione ottica: la sanificazione con la luce UV-C

I moderni processi di sviluppo prodotto afferenti all'ingegneria ottica devono fornire rapidamente un'alta innovazione, mantenendo costi bassi ed affidabilità elevata. Per affrontare le sfide dell’innovazione e ridurre i tempi ed i costi di produzione, in contesti come l’industria automobilistica, aerospaziale e dell’illuminazione in generale, la progettazione e la verifica dell'illuminazione devono avvenire in uno spazio ingegneristico virtuale, che supporti l'assunzione di rischi, che consenta velocità ed accuratezza, per evitare imprevisti quando i progetti giungono alla fase di produzione.

Oggi esistono potenti e collaudati software di simulazione ottica che aiutano gli ingegneri a progettare nuove funzionalità, ottimizzare la selezione dei materiali e altre caratteristiche, misurare i risultati, testare il prodotto e la sicurezza rispettando le rigide normative del settore. 

L'utilizzo di queste soluzioni consente agli ingegneri ottici di mettere a punto fattori critici come propagazione, riflessione, visibilità e leggibilità, identificando anche problematiche non considerate in fase di progettazione. In un'ampia gamma di applicazioni, questi software riducono notevolmente i tempi e le spese del ciclo di progettazione, supportando al contempo l'elevato grado di innovazione necessario per applicazioni avanzate come display head-up o sensori per veicoli autonomi.

Figura 1 Possibili ambiti di simulazione

La sanificazione delle superfici attraverso la luce UV-C

L’illuminazione Smart è un modo nuovo ed intelligente di illuminare sia ambienti professionali che domestici. Il software di progettazione ottica simula in modo esclusivo le prestazioni ottiche di un sistema e valuta l'effetto dell’illuminazione finale, anche in base alla reale percezione visiva umana.

A titolo esplicativo verrà riportato un esempio di applicazione in cui è stato progettato un sistema in grado di sanificare le superfici di spazi pubblici attraverso la luce UV-C.

Per evitare che i virus si diffondano è necessario che le superfici condivise tra molte persone siano accuratamente decontaminate su larga scala ad intervalli regolari, in ambienti pubblici come scuole ed ospedali.

La difficoltà risiede nel riuscire a sanificare spazi geometricamente complessi, il che significa tenere conto non solo delle proprietà ottiche di oggetti diversi, ma anche delle occlusioni (zone d’ombra) che si possono creare. La sanificazione UV-C funziona secondo il principio della "linea di vista" (field of view), per cui eventuali ombre proiettate dall'attrezzatura di disinfezione o da altri oggetti vicini ne inibiscono l’efficacia. 

Altrettanto impegnativa è la necessità di ottimizzare il sistema di illuminazione in termini di metodo di applicazione, tipo di luce UV-C utilizzata e efficienza ottica, ovvero il rapporto fra la potenza generata e quella effettivamente erogata alle superfici.

In termini di specifica di una sorgente di luce UV-C per un dato spazio fisico, le due possibilità principali sono l'installazione di apparecchi di illuminazione permanenti o l'utilizzo di una soluzione mobile e autonoma (robotizzata).

La progettazione del sistema di sanificazione deve anche comprendere i requisiti di dosaggio esatti, arrivando a una soluzione che bilancia la decontaminazione efficace con la sicurezza umana, che può essere compromessa in caso di sovraesposizione ai raggi UV-C

La Simulazione ottica a supporto della progettazione 

Oggi l'ingegneria offre una soluzione che può aiutare i team di sviluppo prodotto a lanciare in modo rapido ed economico sistemi innovativi ed efficaci. I nuovi codici possono essere utilizzati per generare rapidamente un mockup 3D di praticamente qualsiasi ambiente in cui siamo ad operare. È possibile aggiungere facilmente risorse fisiche, inclusi oggetti o altre apparecchiature, nonché le traiettorie di qualsiasi oggetto dinamico nello spazio fisico. Questo consente di modificare rapidamente la geometria del prodotto, nonché l'ambiente circostante.

I nuovi software possono essere utilizzati per applicare proprietà di riflettività ottica agli oggetti presenti nell’ambiente modellato. Queste proprietà possono provenire da strumenti di misurazione o da schede tecniche. Questo consente ai team di sviluppo di creare modelli di sorgenti luminose (come per esempio gli UV-C) con potenze di uscita, spettri e distribuzioni specifiche. Questo collaudato strumento di simulazione ottica può quindi essere utilizzato per simulare l'irradiazione totale incidente su tutte le superfici, modificando facilmente i parametri in modo iterativo fino al raggiungimento di una soluzione ideale.

Questo codice può simulare accuratamente la propagazione della luce e l'interazione della luce con materiali complessi; nel contesto della sanificazione questo aspetto è molto importante perché gli oggetti altamente riflettenti a volte possono essere più difficili da sanificare completamente. La simulazione tiene naturalmente conto anche di eventuali occlusioni (zone d’ombra), che possono impedire l'applicazione dei raggi UV-C lungo la "linea di vista" (field of view). Inoltre, cattura anche con precisione l’irradiazione su superfici curve.

Sanificazione di una cabina di un aereo

Come precedentemente accennato, in questo esempio, vengono riportati tre sistemi di illuminazione differenti per eseguire la sanificazione di una cabina di un aeroplano. È stata confrontata l'efficacia delle lampade UV-C installate nella cabina di un aereo con due diverse soluzioni robotizzate. Si è presunto che le pareti della cabina abbiano una vernice bianca altamente riflettente (con l'80% di riflettività) e che in tutti i casi la potenza di uscita totale del sistema di disinfezione fosse di 100 W a 253,7 nm. Ottimizzando un sistema di applicazione robotico autonomo per lo spazio descritto, si è ottenuto un vantaggio nella copertura della disinfezione UV-C rispetto al sistema statico installato, nonché rispetto ad un sistema robotizzato non ottimizzato. Questo esempio mostra l'alto grado di velocità di sviluppo e innovazione ingegneristica consentito dalla simulazione.

Aggiungendo semplicemente al robot dei bracci per l’irraggiamento della luce UV-C, nel modello di cabina studiato, è stato possibile migliorare significativamente la convergenza dell’irradiazione. Utilizzando i codici simultaneamente è possibile quindi sviluppare in maniera rapida e sicura questi tipi di prodotti innovativi.

Vantaggi della simulazione ottica

La soluzione descritta comporta indiscutibili vantaggi nella progettazione di sistemi ottici e di illuminazione: si riducono i tempi di progettazione e verifica accelerando inoltre i processi decisionali, grazie alla modellazione ed alla simulazione virtuale di superfici ottiche, guide luce e lenti ottiche. Per soddisfare le specifiche di prestazione, il software combina potenti capacità di analisi della luce con la valutazione dell'illuminazione attraverso lo spettro elettromagnetico, consentendo una visualizzazione ad alta fedeltà, basata sulle capacità di visione umana, per un'esperienza completamente immersiva. L’utilizzo di una tecnologia come la simulazione numerica quindi, nel caso di problemi ingegneristici complessi come quello descritto, riduce costi e tempi di sviluppo aumentando le performance dei sistemi progettati.

Se ti interessa avere maggiori informazioni su questa metodologia e scoprire i vantaggi che la tua azienda avrebbe nell'integrarla all'interno dei suoi processi di progettazione e produzione, contattaci, uno dei nostri esperti risponderà a tutte le tue domande.