Software di simulazione in tempo reale: la nuova frontiera per l'industria

Spesso quando si pensa all’Italia si ha la tendenza a fare l’associazione con il  buon cibo o la moda, in realtà però anche la nostra industria è ricca di meraviglie. La realtà manifatturiera italiana si sta espandendo anche a livello internazionale grazie soprattutto a quelle imprese che non hanno rinunciato a innovare anche in tempo di crisi e che oggi ne stanno raccogliendo i frutti. 

In questo articolo vedremo come, attraverso la simulazione real time, sia possibile migliorare tutta la fase di progettazione, quali sono le componenti fondamentali di questi software e come impattano sul lavoro di un ufficio tecnico.

Software di simulazione in tempo reale: un valore aggiunto per la progettazione meccanica

Secondo i dati presentati da Federmeccanica, per le imprese italiane, un fattore determinante nella ripresa e nella crescita è stato quello dell’introduzione di tecnologie 4.0 come: robotica, meccatronica, nanotecnologie, IOT (Internet of things), simulazione, stampa 3D (manifattura additiva o additive manufactoring), materiali intelligenti e cloud computing. Nello specifico, molto interessanti sono i benefici che queste tecnologie hanno permesso di ottenere:

• Miglioramento della produttività. 
• Personalizzazione del prodotto e del servizio grazie alla maggiore flessibilità.
• Offerta di nuovi servizi ai clienti. 
• Riduzione del time-to-market. 
• Incremento delle informazioni relative ai processi produttivi.
• Ottimizzazione dei costi.

In tutti questi benefici la simulazione rappresenta un tema trasversale e ricorrente, vale quindi la pena di comprendere più in dettaglio quali siano i vantaggi dell’investire su queste tecnologie e di quali siano gli aspetti principali per farlo nel modo giusto.

Perché investire su uno strumento in più?

Molte tra le più grandi aziende a livello mondiale hanno dotato tutte le fasi del processo produttivo di strumenti di simulazione 

In particolare, la maggior parte dei best-in-class si distingue per aver adottato strumenti di simulazione in fase di design.

Il contesto attuale vede la simulazione soprattutto in una fase successiva alla definizione della geometria (realizzazione del CAD e delle specifiche), soprattutto per analizzare e valutare specifiche performance. Introdurre questo strumento in fase di design significa soprattutto orientare la progettazione del prodotto in maniera tale da ottenere configurazioni migliori in partenza, la cui risposta sia meno incerta e meno basata sull’esperienza del singolo ingegnere. 

Questo approccio si ritrova anche nella costruzione del cosiddetto “digital mockup” o prototipo virtuale che riproduce il ciclo di vita del prodotto dalla sua progettazione fino al riciclo, se necessario. La prototipazione virtuale è strettamente legata alla digitalizzazione delle fasi del processo perché consente di simulare il comportamento del prodotto in tutti i suoi diversi stadi prima ancora che venga realizzato. In questo modo è possibile ridurre al minimo i prototipi fisici ed i test riducendo i relativi di costi.

Studi paralleli hanno dimostrato che l’uso della simulazione ha permesso non solo di recuperare l’investimento iniziale ma di incrementare sensibilmente i risultati produttivi in termini di obiettivi, tempo di lancio e qualità del prodotto.

Questo studio, condotto dall’Aberdeen Group nel 2017 ha rilevato che le aziende (provenienti dai settori dell’automotive, industrial ed aerospace-defence) che hanno introdotto la simulazione nei loro processi industriali hanno raggiunto gli obiettivi prefissati in termini di time-to-market, riduzione dei costi e qualità. I risultati mostrano un aumento di oltre il 20% rispetto ai loro competitors che non la usano. 

Un altro punto fondamentale da considerare è l’impatto di questi strumenti sulla gestione dell’ufficio tecnico. Per massimizzare l’efficacia di queste tecnologie spesso si investe parallelamente anche sulla formazione con una crescita professionale del personale tecnico che quindi si sente valorizzato.

Nelle aziende in cui vengono già usati strumenti di simulazione nelle fasi successive del processo è possibile ottenere una maggiore consapevolezza da parte dei progettisti del legame tra specifiche tecniche e funzionalità di prodotto. Infine, l’introduzione di uno strumento di simulazione in fase di design permette una migliore distribuzione dei carichi di lavoro sulle varie risorse dell’ufficio tecnico. 

Oggi le strategie e i metodi sono in continua evoluzione, il time-to-market si riduce sempre di più e la concorrenza è sempre più agguerrita. L’unico modo che hanno le aziende per restare competitive è tramite un’innovazione costante. Adottare la tecnologia di simulazione non è più sufficiente: è ormai adottata su larga scala da moltissime aziende. E’ necessario avere la tecnologia più innovativa ed oggi questo significa real time. 

Perché la simulazione real time?

Essere innovativi oggi significa anche essere real time, ma come siamo arrivati a questo? Cosa rende la simulazione real time così speciale? 

Tutto parte dal concetto di “non sparare ad una mosca con un cannone”, questo approccio è ben noto ad ogni ingegnere ed è uno dei motivi per cui un progettista quando può evita di simulare. 

Gli strumenti di simulazione tradizionale raggiungono risultati estremamente precisi ma non sono stati pensati per essere dinamici. Dall’altra parte, la simulazione real time, invece, non ha la capacità di svolgere le stesse analisi di un software tradizionale o di raggiungere i medesimi risultati in termini di accuratezza ma è estremamente veloce nell'elaborazione. Questa è stata resa possibile grazie agli enormi avanzamenti tecnologici delle architetture hardware, in particolare il passaggio del calcolo alla GPU.

Quello che rende utile questo strumento non è la precisione quindi, o la complessità dell’analisi, bensì la rapidità e semplicità di utilizzo. 

Normalmente nel primo approccio ad un nuovo progetto il designer parte dalle ipotesi di linearità: cioè approssima il problema, lo rende più semplice. Il progetto viene studiato, e sulla base delle varie ipotesi iniziali, si otterranno dei risultati preliminari che il progettista terrà in considerazione per valutare gli step successivi. 

Lo strumento di simulazione in tempo reale, si basa sulle stesse approssimazioni e quindi riesce ad essere molto più “leggero” nella sua struttura e nel suo utilizzo. Questo permette ai progettisti di poter scegliere se “sparare con un cannone” (eseguire una simulazione tradizionale) oppure usare una “semplice paletta“ (eseguire una simulazione in tempo reale) in funzione del problema che deve affrontare.

In poche parole, la velocità e la semplicità del real time possono fare la differenza tra simulare o non simulare in fase di progettazione. 

Come influenza l'ambiente dell'ufficio tecnico?

Il primo requisito per un prodotto di successo è che sappia soddisfare le richieste dell’utente. I software di simulazione non fanno eccezione quindi se si vuole scegliere il migliore è fondamentale definire con esattezza le proprie esigenze ed i propri obiettivi in termini di risultato e solo a quel punto procedere nella scelta. 

Nel caso di un software di simulazione per la progettazione meccanica la scelta dipenderà dal progettista e dal lavoro che quotidianamente deve affrontare all’interno del suo ufficio tecnico. 

Il progettista: un intreccio di tecnica e visione

Se si effettua una breve ricerca su questo profilo professionale la definizione più diffusa è:

“ Il Progettista meccanico, in collaborazione con altri specialisti, idea e sviluppa impianti, macchinari o semplici componenti meccanici come pure utensili e dispositivi di produzione, definendone le caratteristiche funzionali e tecniche. Recepisce le richieste di nuovi prodotti o innovazioni di quelli esistenti; ne riconosce i possibili ambiti applicativi; ne identifica le caratteristiche tecnologiche ed economiche; valuta i costi del processo produttivo in termini di competitività; identifica i requisiti di messa in produzione e le relative condizioni di fabbricazione.”

Si tratta di una figura tecnica che deve essere in grado non solo di ideare il design di un prodotto ma anche di cogliere gli aspetti innovativi della progettazione sia in termini di geometria che di processo. Ad esempio identificando il materiale migliore per la specifica funzionalità o investigando nuovi metodi di realizzazione. 

L’ufficio tecnico: un mondo fatto di schemi e creatività

Nell’ufficio tecnico vengono progettate e sviluppate tutte le fasi di vita di un prodotto tramite diverse figure professionali, e, solitamente, i tempi di lavoro sono molto ristretti. L’introduzione in questo ambiente di nuovi strumenti deve tenere conto di come questo impatterà sulla sua globalità in termini tempi di apprendimento, scambio dei dati, interazione con gli altri strumenti e distribuzione del lavoro sulle diverse risorse. 

E’ proprio la distribuzione del lavoro ad essere il punto centrale su cui riflettere nell’introduzione di un software di simulazione real time all’interno dell’ufficio tecnico. Le analisi sulle performance fanno solitamente riferimento a delle configurazioni che non sono quelle definitive (o quelle ottimizzate) e questo porta a ripetere ciclicamente il processo di progetto>analisi>test fino a quando non si ottiene il risultato sperato. 

Dotando i progettisti di questo strumento, una grossa parte del lavoro di analisi verrebbe affrontata prima di arrivare agli analisti e questo permetterebbe di ridurre le analisi successive o la ripetizione dei test su costosi prototipi fisici. Inoltre laddove siano già presenti strumenti di simulazione, permette di non utilizzare il tempo macchina di software mirati ad analisi complesse con studi relativamente più semplici

Quali caratteristiche deve avere il  software di simulazione real time? 

Come ogni strumento anche un software di simulazione in real time deve rispondere ad una serie di caratteristiche fondamentali per far sì che possa migliorare il lavoro dell’ufficio tecnico invece che complicarlo ulteriormente. Deve essere:

Intuitivo 

La fase di iniziale di un progetto è estremamente dinamica, come  primo requisito ci deve essere, quindi, la velocità nell’impostare l’analisi e nell’ottenimento di un risultato spendibile.

Uno strumento di simulazione veramente al servizio della progettazione deve consentire di ottenere risultati attendibili senza la necessità di lunghe elaborazioni ed analisi.

Il settaggio delle condizioni di carico, di vincolo e del post processing devono poter avvenire in modo semplice e rapido. Avere un’interfaccia dinamica e intuitiva, che permetta all’utente di concentrarsi sulla fisica del problema e non sulla programmazione, rappresenta un grandissimo valore aggiunto.

Dinamico nel valutare i risultati

La parte migliore dell’ottenere un risultato in tempi rapidi, è quella di poter direzionare la progettazione in relazione all’output dell’analisi. Questo permette di ripetere più volte le analisi a seguito di modifiche, anche molto piccole, alla geometria.

Questo è un punto fondamentale, i software di simulazione tradizionali a causa dei loro lunghi tempi di elaborazione non consentono di simulare in modo interattivo modificando la geometria o i parametri dell’analisi per visualizzare immediatamente se la modifica che viene apportata è davvero migliorativa.

Multi-fisico

Il mercato vede nascere prodotti sempre più complessi e che devono interagire in contesti sempre più strutturati. Spesso integrano al loro interno anche diverse funzionalità che in passato venivano gestite da più prodotti.

Combinare le diverse fisiche a cui saranno sottoposti in un unico strumento rende possibile descrivere, riprodurre e analizzare i diversi casi, investigandone la funzionalità rispetto a dei compiti che raramente si attengono nel campo di una sola fisica. 

Le diverse fisiche sono interconnesse tra loro e l’effetto dell’una si ripercuote sull’altra. Attraverso la simulazione multi-fisica è possibile riprodurre sempre più verosimilmente le condizioni di lavoro di un prodotto ed i suoi meccanismi integrati. 

Parametrico

L’informazione qualitativa è importante ma per ottenere dei risultati che siano davvero efficaci è importante avere delle anche una serie di indicazioni quantitative che definiscano quali sono i fattori davvero significativi del progetto ed esattamente di quanto vadano modificati.

Per ottenere queste informazioni sono fondamentali gli studi parametrici. Questi, infatti, consentono di definire quali sono le grandezze da monitorare nel proprio progetto e di osservare come, al loro variare, vari anche la risposta del prodotto.

Uno studio parametrico ripete la stessa analisi n-volte in funzione di una serie predefinita di modifiche definite rilevanti con l’obiettivo di determinare la configurazione ottimale del prodotto. Anche in questo caso è evidente che la rapidità nell’ottenere i risultati dell’analisi è fondamentale per poter ottenere un risultato davvero spendibile in fase di progettazione.

Inoltre una rapida risposta permette anche di far variare più parametri identificando subito quali sono i fattori che davvero influenzano l’output desiderato.

Aperto ai numerosi strumenti già presenti in ufficio

Il più grande scoglio che si può incontrare introducendo un nuovo strumento all’interno dell’ufficio tecnico è quello della compatibilità dei formati. Questo fattore è di grande ostacolo per chi, come il progettista, lavora quotidianamente con strumenti CAD e per cui è fondamentale non incappare in problemi di lettura o di gestione dei diversi formati. 

Per questa ragione è fondamentale che il software di simulazione sia compatibile quanto meno con il CAD che viene utilizzato nell’ufficio tecnico. In tal senso è possibile fare riferimento a tecnologie di simulazione integrate nell’ambiente CAD e, quando non sufficienti in termini di accuratezza, gestione delle fisiche o semplicità di utilizzo, è possibile fare riferimento a software che abbiano una più ampia compatibilità con altri formati. 

E’ importante tenere conto non solo della loro compatibilità con il software CAD in uso nell’ufficio tecnico, ma anche con i software utilizzati nelle fasi successive del processo di progettazione e produzione.

Che fornisca output semplici da leggere e facili da condividere

L’ultima caratteristica fondamentale da prendere in considerazione nella scelta di un software di simulazione in tempo reale è quello relativo alla possibilità che offre di condividere i risultati con i colleghi.

Non si può sottovalutare la necessità di confrontarsi, di produrre documenti e di fornire risultati quantitativi che possano essere posti a corollario delle scelte progettuali effettuate. E’ molto importante poter gestire i risultati delle analisi al di fuori del software di simulazione, studiando ed elaborando i risultati ottenuti o anche semplicemente per condividerli con i propri colleghi.

In conclusione possiamo dire che l'’ufficio tecnico si compone di strumenti innovativi ma soprattutto di persone ed è in questo contesto che uno strumento di simulazione real time va ad integrarsi. Questo genera una serie di vantaggi sia per il team dei progettisti che per l’azienda stessa andando a migliorare l’intero processo di progettazione riducendo notevolmente i costi oltre che il time-to-market. 

Altre conseguenze dell’adozione di un software di simulazione in tempo reale sono la possibilità di eseguire studi multi-fisici più rapidi e semplici, una maggiore standardizzazione dei processi e  una migliore collaborazione tra le varie figure professioni coinvolte.

Come abbiamo visto le aziende più attente all’innovazione stanno seguendo questa linea introducendo questi software all’interno del loro processo di design con ottimi risultati. Se vi interessa scoprire cosa, queste nuove rivoluzionare tecnologie, possono fare in dettaglio per la vostra azienda e come fare per integrarle all’interno del vostro processo produttivo contattaci, uno dei nostri esperti risponderà a tutte le tue domande.