Oltre i limiti dei CAD e della modellazione 3D

Il disegno meccanico ha visto nel corso degli ultimi 70 anni una rivoluzione dei suoi strumenti di lavoro per rispondere a processi produttivi in costante evoluzione. I prodotti vengono sviluppati ad un ritmo crescente e con sempre maggiori funzionalità e prestazioni, in questo contesto lo sviluppo di nuove tecnologie per la progettazione diventa fondamentale.

Oggi, real view, realtà virtuale e realtà aumentata sono ormai a portata di scheda grafica, mentre visori e occhiali intelligenti aprono a possibilità mai viste. In questo contesto estremamente dinamico e smart, qual è la nuova frontiera del disegno meccanico e della modellazione 3D?

Il modello 3D alla base di ogni processo digitale 

Nel linguaggio di tutti i giorni consideriamo modello geometrico 3D e CAD come sinonimi, dimenticando che quest’ultimo non è semplicemente uno strumento utile alla realizzazione grafica di curve, figure piane o solide. Viene chiamato CAD anche lo specifico software che usiamo per la progettazione, ma anche in questo caso non è corretto. CAD, che sta per  Computer Aided Design (Progettazione Assistita dal Calcolatore) è un metodo per lo sviluppo e la gestione di progetti industriali costituito da procedure e funzionalità aventi lo scopo di:

• Automatizzare gli aspetti ripetitivi e standardizzati del processo
• Ridurre gli errori relativi all’applicazione delle norme tecniche (standard ISO, UNI, DIN)
• Verificare il prima possibile criticità funzionali, costruttive e di fabbricazione attraverso prototipi virtuali
• Gestire e archiviare le informazioni e le documentazioni di progetto e ciclo di vita del prodotto (Product Data Management e Product Lifecycle Management – PDM e PLM)

Questo metodo si sviluppa di pari passo con le evoluzioni hardware e software. Negli anni ‘50 nascevano i primi software di disegno computerizzato o si lavorava sui linguaggi di programmazione macchine utensili, solo tra gli anni ‘90 e 2010 è entrata in gioco la modellazione di tipo variazionale parametrica (feature based). Questo tipo di approccio, gestendo le geometrie attraverso scavi, potrusioni o simmetrie è diventato fondamentale per la progettazione meccanica. Poiché la funzionalità di un componente è strettamente legata alla sua forma e sezione, la modellazione feature based supporta il progettista con forme scalabili o adattabili in funzione delle prestazioni richieste.

Nell’ultimo decennio, però, si può osservare come questo approccio sia risultato scarsamente efficace per affrontare problematiche nuove come l’ottimizzazione basata sul morphing, la lavorazione delle superfici per feature recognition, o anche semplicemente la generazione delle mesh.

Per gestire queste problematiche il CAD ha ampliato ancora una volta  il proprio ventaglio di possibilità con la modellazione variazionale diretta o contestuale che è in grado di modificare localmente senza entrare nel merito dell’albero delle operazioni.

La nuova frontiera del Computer Aided Design

Oggi l’evoluzione delle tecniche CAD si sta muovendo molto rapidamente verso una piena integrazione tra il modello fisico e quello virtuale, indispensabile per dare forma alla grande rivoluzione industriale 4.0.

La gestione ed il perfezionamento dei modelli virtuali costituiscono un elemento fondamentale nell’evoluzione del panorama industriale, che attraverso la simulazione ha potuto prevedere la risposta fisica del modello in determinate condizioni di produzione o di utilizzo. I vantaggi sono moltissimi tra cui: miglioramento della produttività, riduzione del time-to-market e ottimizzazione dei costi.

La simulazione, come tantissime altre applicazioni CAE (computer aided engineering), supporta il lavoro di analisi e verifica dei prodotti da molto tempo, oggi tuttavia, grazie ad una rapida evoluzione hardware e software le sue potenzialità e la sua precisione sono notevolmente migliorate. L’integrazione della simulazione con la progettazione segue uno schema di lavoro tradizionale ben noto:

• Si definisce il modello geometrico dell’oggetto
• Si semplifica il modello geometrico dipendentemente dal tipo di analisi e condizioni al contorno che voglio impostare
• Si elabora una griglia di calcolo, anch’essa definita in funzione dell’analisi;
• Si svolge (l’analisi e si valutano i risultati)
• Eventualmente si interviene sul modello originale

Questo avviene spesso a cavallo di due fasi di lavoro diverse (quella di progetto e quella di analisi) o tra gruppi di lavoro separati. Nei casi in cui se ne occupa il progettista, attraverso strumenti di simulazione integrati in ambienti CAD, il processo si dimostra comunque abbastanza rigido poiché questi strumenti spesso mantengono forti separazioni tra le fisiche da analizzare o perché non consentono l’editing del modello in fase di simulazione.

Ciò che cambia attraverso la simulazione in tempo reale è la possibilità di integrare il modello 3D con informazioni relative alla sua risposta fisica in maniera dinamica, mantenendo il controllo sugli strumenti di editing. Tali strumenti riducono o addirittura eliminano del tutto le fasi di preparazione del modello geometrico, grazie ad un approccio di tipo meshless.

La simulazione real time costituisce quel passo avanti che unifica la fase di simulazione con quella di modellazione 3D creando un nuovo processo:

• Si definisce il modello geometrico dell’oggetto
• Si applicano le condizioni al contorno e si valuta la risposta
• Si modifica il modello

Tutto questo in un unico ambiente con un unico team ed eliminando le 2 fasi che occupano la maggior parte del tempo: preparazione e meshing. In funzione dello strumento scelto sarà possibile eseguire questo processo legandolo alla singola fisica oppure ad ambienti multifisici.

Questo nuovo processo si adatta molto bene alle ben note teorie di Design-By-Quality o ai nuovi approcci multidisciplinari che stanno caratterizzando lo sviluppo delle realtà industriali italiane e aprono alla cosiddetta “progettazione guidata dalla simulazione”. Un nuovo approccio che ha già dimostrato la sua validità e che riserva ancora tante sorprese.