Simulazione e prototipazione virtuale su prodotti complessi

La trasformazione digitale e l’evoluzione tecnologica hanno un ruolo chiave nella realizzazione di prodotti complessi. Sono requisiti fondamentali per tutte le aziende che vogliono competere in mercati guidati dall’innovazione continuamente arricchiti dalla presenza di nuovi attori.

In che modo la simulazione e prototipazione virtuale supportano le fasi di progettazione di prodotti smart? Lo vediamo nell’articolo di oggi.

Simulazione e prototipazione virtuale: focus sui modelli meccatronici

L’industria 4.0 rappresenta la leva strategica che porta allo sviluppo di prodotti complessi. Possono trattarsi sia di prodotti che integrano componenti di diversa natura - meccanica, elettronica, di controllo e software – oppure di prodotti che presentano diversi componenti appartenenti alla stessa fisica che interagiscono tra di loro.

Per le aziende, è indispensabile riuscire a governare la complessità di questi modelli per rispondere ai requisiti di qualità richiesti dal mercato e mantenersi competitivi nell’industria di riferimento. Prima di passare alla soluzione per rispondere alle aspettative prestazionali dei prodotti, focalizziamoci sulla natura e le caratteristiche dei sistemi complessi.

L’integrazione di più sistemi all’interno del prodotto è una condizione oramai indispensabile per superare le sfide industriali:

• concorrenza intensificata
• apertura a nuovi scenari
• tecnologie in rapida ascesa
• prezzi competitivi

L’integrazione di elementi di elettronica, di controllo e software in prodotti meccanici o meccatronici è indispensabile per le aziende che vogliono distinguersi; in contesti in rapida trasformazione, le industrie che vogliono raggiungere e mantenere il successo devono incrementare l’unicità dei prodotti, puntando alla realizzazione di sistemi multifunzionali.

Se, da un lato, la consapevolezza rispetto all’importanza di intraprendere processi di meccatronica corre di pari passo con l’innovazione; dall’altro lato, emerge la necessità di affidarsi a strumenti che guidino la progettazione basandosi su solidi criteri scientifici.

Una ricerca promossa dal gruppo Aberdeen ha messo in luce le sfide per le industrie che si approcciano alla disciplina meccatronica:

• il 68% dei progettisti considera l’integrazione meccanica ed elettrica una sfida importante per lo sviluppo dei prodotti
• 47% degli intervistati non ritiene di avere sufficiente esperienza di progettazione in sistemi meccatronici
• le aziende leader nello sviluppo di prodotti complessi raggiungono obiettivi di business - in termini di costi, qualità e data di lancio - l’84% delle volte

 Inoltre, lo studio ha evidenziato le difficoltà legate alla sicurezza e alla garanzia di prestazione; in particolare, i prodotti complessi, ricchi di funzioni ed elementi integrati, richiedono maggiori controlli, modifiche e interventi nel corso della loro realizzazione rispetto a prodotti monofunzionali.

Dalle risposte delle aziende che hanno preso parte all’indagine emerge quindi un bisogno sempre più concreto di anticipare problemi di sviluppo ingegneristico: 4 su 5 hanno compreso l’importanza di approcciarsi alle sfide dei sistemi complessi già nelle prime fasi del concept design.

Prodotti complessi: il ruolo di simulazione e prototipazione virtuale

L’integrazione di componenti di diversa natura incrementa la complessità dei modelli che devono rispondere a più aspettative prestazionali. Oltre a garantire efficienza e durabilità, i prodotti devono dimostrarsi di qualità ed essere capaci di distinguersi con unicità.

Simulazione e prototipazione virtuale entrano in gioco per verificare i requisiti richiesti dal mercato che, nel caso di prodotti complessi, sono molto diversi tra loro – per natura e funzionalità.

Rispetto all’analisi su prototipi fisici, l’ambiente virtuale permette di testare variabili matematiche che possono essere aggiornate istantaneamente per modificare le condizioni da simulare. In questo modo, non si ha solo visibilità a 360 gradi sul progetto, ma si garantisce la perfetta coesione tra componenti di diversa natura, senza interferenze e conflitti.

Il contributo di simulazione e prototipazione virtuale sulle analisi multi-fisiche è la leva strategica che guida lo sviluppo dei progetti in una direzione di miglioramento; infatti, testando prototipi fisici non è possibile ottenere gli stessi risultati nei medesimi tempi, se non investendo in processi costosi e rischiosi dal punto di vista dell’accuratezza e precisione. In questo caso, simulare modelli matematici con software specifici è quasi indispensabile per indagare processi e interazioni di diversa natura. Gli elettrodomestici sono un valido esempio per comprendere il modo con cui anche il più altro grado di complessità dei prodotti può essere governato con la simulazione.

Oggi molti prodotti sono ricchi di componenti di elettronica avanzata, come domotica e sensori Wi-Fi. Il compito dell’analisi matematica è verificare che gli elementi non interferiscano tra loro e non creino conflitti. Prendiamo il caso di una lavatrice, la cui interazione fluido struttura deve essere indagata con gli strumenti più opportuni per indagare i comportamenti prestazionali nel lungo termine.

La realizzazione di componenti miniaturizzati – quindi troppo piccoli per essere testati fisicamente è un altro importante tema: le misurazioni che riguardano le loro condizioni possono essere validate solo digitalmente. Per capire fino a dove si possono estendere le potenzialità della simulazione su componenti molto piccoli, guardiamo all’esempio di un comune orologio meccanico.

Una struttura di questo tipo può contenere fino a 130 elementi, tutti assemblati in più sottoinsiemi. In questo piccolo corpo meccanico troviamo sia la fonte di energia – fornita dalla molla e trasmessa dagli ingranaggi - che le parti per le regolazioni e il quadrante. Ovviamente, il numero di componenti aumenta con la complessità del modello e l’eventuale presenza, ad esempio, di cronografo, calendario e lancetta a trascinamento.

Simulare prototipi virtuali permette di avere sotto controllo tutti gli scenari e i comportamenti possibili del modello, anticipando il funzionamento del prodotto nel contesto reale. L’ambiente di testing virtuale aiuta le aziende a raggiungere tre obiettivi ambiziosi per mantenere alti livelli di competitività e reputazione:

Innovazione e opportunità

La possibilità di esplorare più scenari di progettazione permette al team di progettazione di testare scenari e configurazioni alternativi, optando per la condizione che meglio soddisfa i requisiti.

Qualità

Approcciarsi allo sviluppo di prodotti complessi con analisi su prototipi virtuali – già in fase di design del prodotto – incrementa consapevolezza e know how. Questi valori sono spendibili nella realizzazione di modelli futuri, in linea ai nuovi requisiti di mercato.

Produttività

L’utilizzo di software di simulazione virtuale si rivela prezioso per la riduzione del time to market dal momento che, in questo modo, si accelerano le decisioni e si condividono meglio le informazioni progettuali all’interno dei vari team di sviluppo o tra ingegneria e produzione. Questo incide sull’impatto degli investimenti sulle risorse e di conseguenza sulla produttività aziendale

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