Modellizzazione e prototipazione virtuale

Modellizzazione e prototipazione virtuale

www.confindustriaixi.it

IN

NO

VA

ZI

ON

ED

IG

IT

AL

E IN

NO

VA

ZI

ON

ED

IG

IT

AL

E

IMPRESE X INNOVAZIONE

Questa guida è stata realizzata grazie al contributo del Consorzio Interuniversitario (Cineca)

Le guide di questa collana sono supervisionate da un gruppo di esperti di imprese e associazioni del sistema Confindustria, partner del Progetto IxI: Between Spa, Confindustria Servizi Innovativi e Tecnologici, Eds Italia, Gruppo Spee, Hewlett Packard Italiana, Ibm Italia, Idc Italia, Microsoft, Telecom Italia Spa.

Suggerimenti per migliorare l’utilità di queste guide e per indicare altri argomenti da approfondire sono più che benvenuti:[email protected]

IL CONTESTO ATTUALE

L’attuale contesto economico ha come princi-pale caratteristica quella di essere in continua‘fibrillazione’ e, di conseguenza, le aziendeche vi operano devono essere in grado di ade-guarsi prontamente ai mutamenti e saper pre-venire i gusti dei clienti e dei consumatori. Le aziende devono saper governare e ge-stire soprattutto: strategia, organizzazione,management; per poterlo fare in manieraefficace nel contesto attuale occorrono in-tuito, estro, creatività.I manager devono saper attivare e gestirela creatività indirizzandola adeguatamen-te; devono saper innovare e rafforzare il

IN

NO

VA

ZI

ON

ED

IG

IT

AL

E

1

vantaggio competitivo ‘continuamente’ e‘velocemente’, anche attraverso l’utilizzodi strumenti ICT adeguati che supportinosoprattutto le attività “core” dei processi in-terni alle loro aziende.Sia nelle PMI che nelle grandi aziende chehanno come mission la progettazione e lavendita di prodotti e/o servizi sempre piùcompetitivi, ha grande importanza il setto-re che si occupa della progettazione e in-gegnerizzazione dei prodotti. Ampia è la gamma dei settori nei quali talefunzione ricopre un ruolo fondamentale:meccanico, elettrico, elettronico, chimico,minerario, moda, tessile, medico, farma-ceutico, agrario, ecc.

MODELLIZZAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE

INGEGNERIA DEI PRODOTTI

Nelle aziende che sviluppano e produco-no prodotti e/o servizi, le aree che si oc-cupano dell’“ingegneria del prodotto” siavvalgono di personale molto preparato,sia dal punto di vista culturale che scien-tifico, con approfondite conoscenze sianell’area tecnologico-produttiva che eco-nomico-gestionale. Il team è quindi ingrado di affrontarne i problemi inerentiattraverso una visione globale del proces-so di sviluppo e di produzione. Le questioni attinenti al tema citato rivesto-no carattere fortemente interdisciplinare e,come ad esempio accade nel settore me-

talmeccanico, spaziano dall’analisi del pro-cesso progettuale, all’ingegnerizzazione,dall’individuazione del migliore processoproduttivo, alla gestione dei sistemi di pro-duzione e dei sistemi informativi ad esso

connessi, coinvolgendo quindi sia aspettipropriamente ingegneristici sia competen-ze in altri settori, con particolare importan-za in quello economico-gestionale. Sempre in relazione al settore metalmecca-nico, le aree culturali di riferimento sono letecnologie specifiche, le metodologie di svi-luppo, l’analisi del prodotto, i sistemi di pro-duzione, gli impianti, la programmazione ela gestione della produzione, la gestione in-tegrata della qualità, il project management,l’ottimizzazione dei flussi di produzione, laprotezione dell’ambiente di lavoro, l’affida-bilità e la sicurezza del prodotto, in relazio-ne al processo di fabbricazione, e i sistemiinformatici aziendali.

ICT ED INNOVAZIONE DI PRODOTTO E DI PROCESSO

Attualmente stiamo assistendo ad un forte svi-luppo delle Tecnologie Informatiche e delleTelecomunicazioni e del loro utilizzo all’in-terno delle imprese.Da ciò ne consegue l’opportunità per le azien-de di apportare al loro interno migliorie all’or-ganizzazione, anche radicali. Oggi gli stru-menti ICT consentono di ricoprire e supporta-re con l’utilizzo dei calcolatori moltissime fasidei processi di progettazione e di produzione. I manager possono essere aiutati da strumentiICT ormai adeguati, ma anche ‘innovativi’,che possono contribuire ad apportare miglio-ramenti sensibili alle attività di innovazionedei prodotti/processi nelle loro aziende.

IN

NO

VA

ZI

ON

ED

IG

IT

AL

EI

NN

OV

AZ

IO

NE

DI

GI

TA

LE


32

Un’area complessa come quella tecnologica prevede i processi di sviluppo e tra-sformazione dei prodotti costituiti da materiali e componenti tradizionali e/o in-novativi, possibilmente integrati, e comprende: - le fasi di ideazione, progettazione, fabbricazione, assemblaggio, controllo, ecc.;- le tematiche tipiche dell'ingegneria concorrente e di progettazione/

produzione assistite da calcolatori;- la caratterizzazione tecnologica dei materiali da trasformare;- la determinazione delle caratteristiche ottime di prodotto;- la determinazione dei parametri ottimi di processo, che consentano di

minimizzare i costi ed i tempi di fabbricazione;- la progettazione e gestione della qualità e della salvaguardia dell'ambiente; - la prototipazione, oggi possibile anche ‘virtuale’.

Una seconda problematica afferisce ai metodi e sistemi, in particolare agli aspetti economici della gestione di tali sistemi: - le metodologie e gli strumenti per le progettazioni dei prodotti e dei processi;- i metodi di modellizzazione dei processi di sviluppo del prodotto, di utilizzo anche di modelli virtuali, di modellizzazione

dei prodotti nel ciclo di vita, gestione delle documentazioni dei prodotti; - l’analisi e la modellizzazione per il progetto integrato dei sistemi produttivi, distributivi e della relativa logistica; - l’analisi e la progettazione degli specifici impianti industriali, incluse le valutazioni di fattibilità ed economiche; - l’automazione dei sistemi di produzione, previa l’analisi di convenienza economica di sistemi integrati e flessibili (FMS, robot e

celle di lavorazione); - l’analisi e la progettazione ergonomica e della sicurezza dei sistemi produttivi; - la pianificazione dei processi e la simulazione/ottimizzazione dei flussi dei materiali nei processi produttivi e di consegne;- la programmazione e la gestione dei sistemi di lavorazioni, assemblaggi, controlli per i prodotti;- la gestione della qualità e delle manutenzioni;- le metodologie di prototipazione, anche virtuale, ed i relativi strumenti di rappresentazione, anche per modellizzazioni e

simulazioni, applicabili in molti settori produttivi;- i metodi e strumenti di rappresentazione per le simulazioni sia del funzionamento del prodotto sia del processo di fabbricazione.

MANAGEMENT DI PRODOTTO ED ICT

Esperti e manager dell’Ingegneria di pro-dotto sono tra le persone che hanno lemaggiori responsabilità di innovazione nel-le aziende. Devono conoscere le tecniche,gli standard tecnologici correnti e le ‘bestpractices’ di riferimento. Devono provve-dere alla formazione ed al supporto degliaddetti specifici della loro area. Ricerca, innovazione e sviluppo di nuoviprodotti in tempi ristretti divengono un im-portante investimento per le aziende proiet-tate verso il costante soddisfacimento deipropri clienti. Il concepimento di un nuo-vo prodotto è uno dei momenti fondamen-tali nella crescita di una azienda.Innovare significa non solo creare nuovestrategie di mercato, ma investire anche sulcambiamento di mentalità del personalecoinvolto, per una corretta valutazione edimpiego delle tecnologie emergenti: de-sign, progettazione industriale, enginee-ring, modellizzazione 3D, prototipazionerapida, prototipazione virtuale, etc.

Il rapido e continuo evolversi del contestodi mercato nel quale le aziende sono chia-mate ad operare richiede pronte ed ade-guate risposte.

ESEMPI DI SISTEMI INNOVATIVIPER LO SVILUPPO DI PRODOTTI,PER LA GESTIONE E LA CONDIVISIONE DELLE INFORMAZIONI DI PRODOTTO

L’elevata concorrenza nel settore industria-le pone come obiettivo alle singole azien-de di immettere sul mercato prodotti di ele-vata qualità, a minori costi e nel più brevetempo possibile.In risposta a queste esigenze, sempre mag-giore è il ricorso all’impiego dei calcolatori

ed agli strumenti informatici di ausilio allaprogettazione per automatizzare, quindivelocizzare, processi altrimenti ripetitivi elenti.Spesso un progetto industriale può essere ilrisultato della cooperazione di più azien-de: ciò rende necessario scambiare e con-frontare il più possibile le informazioni e leproposte progettuali tra i vari gruppi di la-voro che collaborano allo stesso progetto. La progettazione assistita dal calcolatorerappresenta uno strumento fondamentalenella progettazione industriale, sia nellagrande azienda che nella piccola-mediaimpresa manifatturiera. La valutazione delle prestazioni del prodottogià in fase di progettazione, resa possibiledalle attuali tecnologie CAD/CAM/CAE, staacquisendo sempre maggiore rilevanza in or-dine alla realizzazione di prodotti il più pos-sibile rispondenti alle richieste, ed alla ridu-zione della tempistica che intercorre tra l’i-deazione dei medesimi ed il loro ingresso nelmercato.La progettazione 3D (a 3 dimensioni) rea-lizzata mediante i principali strumenti CADpresenti sul mercato può essere affiancatadalle simulazioni numeriche nei settori incui occorrono calcoli di tensioni-deforma-zioni, cinematica, fluidodinamica, ecc...Occorre essere in grado di seguire il pro-cesso di sviluppo di un prodotto dall’idea-zione alla industrializzazione. La strutturadi gestione deve essere flessibile e capacedi affrontare efficacemente progetti di variedimensioni.

IN

NO

VA

ZI

ON

ED

IG

IT

AL

EI

NN

OV

AZ

IO

NE

DI

GI

TA

LE


54

È ormai pacifico che un valido supporto dell’ICT è indispensabile in azienda.Un problema è il rimanere aggiornati sulle novità tecnologiche e sulle loro funzionalità più importanti.

Esempi di requisiti generali per supporti ICT necessari per i ‘Technical Decision Makers’:- utilizzo di strumenti tecnologici affidabili e di ultima generazione;- disponibilità e impiego fattivo delle più recenti ricerche ed applicazioni tecnologiche;- formazione alla ottimizzazione delle prestazioni e dell’efficacia delle Applicazioni;- ausilio alla ottimizzazione dei systems management e dei processi di supporto.

SOSTEGNO DELL’ICT IN AZIENDA

IMPORTANZA DELLE SOLUZIONIICT - MODELLIZZAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE

Le tecnologie di calcolo ad alte prestazionipossono oggi essere di valido supporto allaprogettazione industriale, alla simulazionenumerica, alla modellizzazione ed alla pro-totipazione virtuale dei prodotti, fornendola possibilità di studiare modelli complessiin tempi brevi e rendendone possibile la lo-ro visualizzazione in ambienti di realtà vir-tuale. Tali fasi si svolgono normalmente in sim-biosi a monte e/o a valle del processo pro-gettuale di prodotto o servizio.Ricerche recenti mostrano che per ottenererisultati attendibili dalle analisi dei modellirealizzati in fase di prototipazione, sononecessari studi probabilistici delle variabiliin gioco che consentano di analizzare ilcomportamento dei modelli in contesti piùrealistici.

IN

NO

VA

ZI

ON

ED

IG

IT

AL

E


76

Le risorse di calcolo, ed a maggior ragionequelle ad alte prestazioni, sono costose perle aziende, sia in fase di acquisto che di ge-stione, e sono dimensionate sui carichi dilavoro medi. Ciò rende difficile e spessoimpossibile l’elaborazione di carichi di la-voro consistenti, normalmente solo di pic-co, limitando così le possibilità di analisi. È tuttavia possibile ricorrere al supporto diorganizzazioni strutturate per il ‘calcolo ondemand’ ad alte prestazioni. Le aziendeche ne hanno necessità possono esternaliz-zare il calcolo tecnico-scientifico legato al-

FIGURA 2

IN

NO

VA

ZI

ON

ED

IG

IT

AL

E

In tempi recenti si è assistito ad un considerevole impiego dei sistemi CAD/CAM/CAE nella progettazione. L'e-voluzione dei sistemi CAD in particolare ha reso possibile la creazione di modelli virtuali che offrono sia la pos-sibilità di studiare a fondo un oggetto attraverso sistemi CAE, sia l'opportunità di creare rapidamente prototipifisici attraverso sistemi CAM. Per la progettazione industriale e meccanica utilizzante software di modellizzazione 3D normalmente il model-lo geometrico nel CAD costituisce, per il processo di progettazione e di produzione, il database comune delle in-formazioni cui attingono i sistemi per la simulazione e per la produzione o anche per la prototipazione rapida.I vari gruppi che partecipano ad un progetto industriale possono utilizzare diversi software di progettazioneper diverse finalità; è quindi anche prioritario poter scambiare in maniera efficiente le informazioni tra i varigruppi di lavoro.

SUPPORTI DI CAD, CAE, CAM.

La realizzazione di software specifici di analisi, anche incorporati nel CAD, ha reso accessibile a moltissimi progettisti l'Analisi agliElementi Finiti (FEA), che ora può essere parte integrante del processo di sviluppo dei prodotti. Il software di analisi consente di verificare l'integrità di una progettazione prima della fase di produzione, prendendo in considera-zione ad esempio la resistenza strutturale, la dinamica dei fluidi, il trasferimento termico e l'interazione tra le parti in movimento.

Per l’analisi strutturaleMediante l’analisi ad elementi finiti (FEA) viene verificato il comportamento di un oggetto in progettazione sottoposto a condizionisimili al suo impiego o funzionamento. L'analisi ad elementi finiti permette di studiare vari aspetti, quali: sollecitazioni massime,spostamenti, vibrazioni, ottimizzazione dei parametri di progetto.La simulazione è particolarmente importante qualora non si possiedano dati certi sulle reali condizioni di sollecitazione del partico-lare: ancor prima della fase di prototipazione è quindi possibile la verifica preliminare del modello.

ALTRI SUPPORTI (FEA, PROTOTIPAZIONE VIRTUALE)

FLUSSO DI PROGETTAZIONE CONPROTOTIPAZIONE TRADIZIONALE

FLUSSO DI PROGETTAZIONE CON PROTOTIPAZIONEVIRTUALE (IN ALTERNATIVA)

(in qualche caso)

SUPPORTOCOMPUTERSCAD 2/3DCAE

SUPPORTO SUPERCOMPUTERS

Modellizzazione

Prototipazione “virtuale”“prototipazione rapida”

FASI DI PROGETTAZIONE- ideazione modelli di parti e assiemi- calcoli ‘ingegneristici’ (fisico, matematici, chimici, ecc.)- disegno/grafica

COSTRUZIONE PRIMI PROTOTIPI

PROVE E COLLAUDI PROTOTIPI

MODIFICHE/ADATTAMENTI DI PROGETTI

ITERAZIONI DI PROTOTIPI/PROVE/MODIFICHE

COSTRUZIONE PROTOTIPI FINALI, PRE-SERIE

PROVE E COLLAUDI PROTOTIPI FINALI

RILASCIO PROGETTI

PRODUZIONE PRODOTTI

PROGETTAZIONE

CAECAD PROTOTIPOVIRTUALE

FIGURA 1 - SCHEMA CONCETTUALE DI UN PROCESSO DI PROGETTAZIONE PRODOTTI O IMPIANTI

VISUALIZZAZIONEGRAFICA/SCIENTIFICA

Le ingenti quantità di dati testuali prodottedalle simulazioni numeriche richiedono te -cniche e strumenti di visualizzazione che neconsentano un’analisi ed un’interpretazionerapida ed efficace. Un’immagine, infatti, è ingrado di veicolare in modo più semplice edimmediato il risultato di una simulazione ri-spetto ad un tabulato numerico. È stata già accumulata una lunga esperienzanel campo della visualizzazione a supportodella ricerca e sviluppo e si è in grado di uti-lizzare tecnologie di visualizzazione avan-zate per la soluzione di problemi complessi. Esistono organizzazioni che hanno tali stru-menti, da utilizzare anche in remoto. In talcaso i dati prodotti dalle simulazioni ven-gono trasferiti via rete nella sede dell’uten-te che li visualizza sulla sua piattaforma dirisorse. Si parla di teatro virtuale e di strumenti peril lavoro collaborativo.

Il teatro virtuale permette la visualizzazio-ne di dati e modelli complessi mediantetecniche di realtà virtuale che consentonouna visualizzazione immersiva dei daticon una notevole impressione di realtà. Èpossibile, infatti, percepire le dimensionireali di un oggetto, l’effetto visivo di unmateriale ed è possibile valutare soluzionidiverse in tempo reale. All’interno di unteatro virtuale si può riunire un interoteam di progettazione per analizzare glieffetti delle diverse scelte tecnologiche edi design.Quando è necessario riunire un gruppo dilavoro distribuito sul territorio può essereconveniente o necessario ricorrere a stru-menti di lavoro collaborativi che consento-no ad utenti remoti di vedersi, dialogare evisualizzare gli stessi dati. A tale scopo so-no disponibili soluzioni per la visualizza-zione integrata con la videoconferenza,dando la possibilità agli interlocutori di ve-dersi e parlarsi mentre visualizzano le in-formazioni sullo schermo.

la modellizzazione ed alla prototipazionedei prodotti, secondo le proprie esigenzedi carichi anche di picco. Possono così ef-fettuare quelle simulazioni che non avreb-bero potuto sostenere ‘in casa’, sia per ca-renza di risorse di calcolo adeguate, sia permancanza di licenze dei prodotti softwarenecessari alle elaborazioni e simulazioni.

I SERVIZI DI CALCOLO TECNICOE DI SIMULAZIONE NUMERICACOME LEVA PER AUMENTARE LA COMPETITIVITÀ DELLE AZIENDE INDUSTRIALI

Il mercato attuale richiede rapidità nellosviluppo e consegna di prodotto. Inoltre alprodotto stesso vengono richiesti una seriedi requisiti ulteriori ed accessori rispetto al-la funzionalità principale: dalla fruibilità alcomfort, dalla riciclabilità al design, dai

consumi contenuti alla compatibilità eco-logica, etc. Per questo l’engineering e la fase di ricerca esviluppo diventano ancora più di importanzafondamentale e il calcolo scientifico ed inge-gneristico assume un ruolo sempre più rile-vante nella progettazione e simulazione diprodotti e processi e nella gestione informati-ca del complesso dei dati generati durante l’i-ter di sviluppo dei prodotti industriali.Rispetto alle risorse tradizionali, gli elabo-ratori per il calcolo ad alte prestazioni for-niscono i seguenti vantaggi:

Ridurre il tempo di sviluppo del prodotto. La progettazione in ambiente virtuale ren-de possibile valutare rapidamente un nu-mero elevato di alternative e le verifichenel medesimo ambiente consentono di ri-durre il numero dei prototipi ed il tempo disperimentazione.Ridurre i costi del prodotto.Il minor tempo impiegato nelle attività diprogettazione e verifica e l’ottimizzazionenell’utilizzo di materiali e tecnologie con-trae i costi complessivi di sviluppo e pro-duzione.Aumentare la qualità dei prodotti.L’affidabilità delle verifiche di prodotto e diprocesso effettuabili con la simulazione nu-merica permette di raggiungere livelli cre-scenti di qualità e di utilizzare in modo piùrazionale i materiali, di stimare il ciclo divita dei prodotti, la loro resistenza nell’u-so, l’impatto conseguente in caso di mal-funzionamenti o rotture.

IN

NO

VA

ZI

ON

ED

IG

IT

AL

EI

NN

OV

AZ

IO

NE

DI

GI

TA

LE


98

- poter accedere a software di simulazione estremamente sofisticati;- investimenti limitati al pagamento di una quota proporzionale all’entità dell’utilizzo del software;- utilizzo di interfacce semplici, progettate espressamente per utilizzatori orientati all’applicazione;- per le industrie che non svolgono attività di supercalcolo al proprio interno, opportunità di avvalersi di qualificati servizi

di simulazione numerica senza la necessità di acquistare calcolatori dedicati, evitando anche tutte le problematiche correlate: forte investimento iniziale, necessità di personale competente, gestione del sistema, installazione dei prodotti;

- per le industrie che svolgono attività di calcolo tecnico al proprio interno:- velocità ed efficienza della rete e riservatezza dei dati trattati;- possibilità di avvalersi di competenze scientifiche e tecnologiche di alto livello.

VANTAGGI PER LE AZIENDE-UTENTI:

ba adeguare il proprio sistema di calco-lo alla elevata potenza richiesta;

• fornire la tecnologia necessaria per la co-struzione di ambienti di calcolo distribui-ti (GRID), che abilitino l’integrazione ela collaborazione fra gruppi di lavoro re-moti (organizzazioni virtuali) per la rea-lizzazione di progetti, sessioni di lavorocooperativo, seminari, corsi, convegni.

• soddisfare solo dei carichi di picco perelaborazioni/applicazioni mediamentemeno complesse;

• effettuare attività di porting e paralleliz-zazione di codici proprietari nel conte-sto di progetti industriali;

• mettere a disposizione, come serviziweb, prodotti software per la simulazio-ne senza che l’azienda utilizzatrice deb-


1110

IN

NO

VA

ZI

ON

ED

IG

IT

AL

EI

NN

OV

AZ

IO

NE

DI

GI

TA

LE

SERVIZI DI ELABORAZIONI AD ALTE PRESTAZIONI DISPONIBILI PER LE AZIENDE

Presso strutture opportunamente costituitepuò essere predisposto l’utilizzo di elabo-ratori di supercalcolo per:• rispondere alla domanda completa di

“computing power” fornendo alle indu-strie la capacità di calcolo di cui hannobisogno, gestendo attività in outsourcingdei servizi di calcolo avanzato e ren-dendone possibile l’utilizzo da remoto;

• offrire servizi di calcolo “on demand”,nei periodi di fabbisogno e per specifi-che e complesse elaborazioni;

FIGURA 3 - FLUSSO DI PROGETTAZIONE CON MODELLIZZAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALI

dati di calcolo

geometrie, formeschemi, ecc...

anche/oppure

ARCHIVI DI DATI SPERIMENTALI

PACKAGE DI MODELLIZZAZIONEE VISUALIZZAZIONE

PRE-PROCESSOREmicro-suddivisione e preparazio-ne Modello

SOLUTOREelaborazione calcoli sollecitazioni

POST-PROCESSOREreports esiti sollecitazioni e visualizzazione a monitor

Supporto supercomputers(calcoli in parallelo)

Struttura di Teatro virtuale Package di modellizzazione e visualizzazione “virtuale”, a teatro

FASI DI PROGETTAZIONE- ideazione modelli di parti e assiemi- calcoli ‘ingegneristici’ (fisico, matematici, chimici, ecc…)- disegno/grafica

SUPPORTO COMPUTERS

CAD 2/3D CAE

Per diversi ambiti applicativi, dalla industria alla fisica, chimica, astronomia, dalla medicina ai beni culturali, ecc. vienerealizzato e messo a disposizione di progettisti e ricercatori un Teatro Virtuale che consente la visualizzazione di dati emodelli complessi mediante tecniche di realtà virtuale. Ciò è reso possibile utilizzando strumenti che consentono l' interazione con i dati ed anche possibilmente con la gestio-ne di una Biblioteca di software per il calcolo tecnico (computer aided engineering,…), il calcolo scientifico (bioinfor-matica, chimica, fisica,…), la gestione di librerie (matematica, calcolo parallelo, chimica, fisica, debugging e profiling)e le visualizzazioni (analisi dei dati, grafica, grafica 3D, grafica molecolare, modellizzazione, image processing, naviga-zione di modelli virtuali).

SERVIZI DI VISUALIZZAZIONE SCIENTIFICA E GRAFICA 3D

MODELLIZZAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE -VERSO UNA PROGETTAZIONESEMPRE PIÙ EFFICACE

Il successo di nuovi prodotti è uno dei fat-tori chiave per acquisire nuove quote dimercato e per rimanere competitivi sul pro-prio mercato. Tutte le aziende che operanonel manufacturing investono in innovazio-ne di prodotto e la progettazione è uno deifattori chiave di successo. La progettazione diventa così un’attivitàcomplessa che necessita di strumenti e te -cnologie che possano aiutare chi deve stu-diare un nuovo veicolo o un componentedi esso, un nuovo elettrodomestico, lo sca-fo di una nave, l’ala di un aereo, l’arreda-mento di un locale, al fine di poter tenerconto di tutte le variabili in gioco da quel-

le strettamente tecnologiche a quelle ergo-nomiche, dalla sicurezza all’estetica.Sempre più aziende si accostano ed in-vestono quindi sulla modellizzazione 3Ddei prodotti e sull’analisi delle caratteri-stiche meccaniche, aerodinamiche, flui-dodinamiche, termodinamiche, acusti-che dei modelli mediante tecniche aglielementi finiti (FEM); utilizzano ambien-ti di realtà virtuale per avere una rappre-sentazione in scala reale dei modelli evalutare meglio gli aspetti ergonomici edestetici legati ad esempio alla resa deimateriali.

QUALI BENEFICI PER L’AZIENDA?

Un’attività di progettazione completa chetenga conto di tutte le variabili in gioco per

IN

NO

VA

ZI

ON

ED

IG

IT

AL

EI

NN

OV

AZ

IO

NE

DI

GI

TA

LE


1312

Simulazione di una eruzione del Vesuvio

Campi Applicativi: Calcolo strutturale, Computazione Fluidodinamica, Chimica Computazionale, etc.Tipi di Clienti: Industrie: aziende che operano nei settori della meccanica, aeronautica, chimica, oil&gas, (ENI, Pirelli, Alenia, PiaggioAero,SMR, Luna Rossa, Ducati…); Università; Centri di ricerca.Il servizio consente di attingere a personale specializzato per l’ottimizzazione e l’ingegnerizzazione di codici proprietari delcliente o per lo sviluppo di nuovi codici o interfacce di visualizzazione.

SERVIZI DI ATTIVITÀ DI SUPERCALCOLO E DI SUPPORTO SPECIALISTICO

Può consentire alla PMI l'uso di strumenti avanzati di calcolo senza un'estensione delle proprie risorse di hardwaree software e con un investimento minore. Campi Applicativi principali: Calcolo strutturale, computazione fluidodinamica, chimica computazionale, ecc.Clienti: Aziende, soprattutto PMI (settore meccanico, petrolifero, chimico farmaceutico, ecc….).

SERVIZIO DI “BIBLIOTECA SOFTWARE O PROGRAMMOTECA”

Permettono di gestire e tradurre in immagini una mole di dati ottenuta dalla simulazione numerica. Le immagini veicolanoin modo immediato l’interpretazione dei dati e supportano il processo decisionale. Il cliente può visualizzare in remoto i ri-sultati della simulazione sul suo desktop, con il proprio strumento di visualizzazione e senza trasferire i dati.Campi Applicativi: supporto alla progettazione industriale, simulazioni di ingegneria, simulazioni scientifiche (cosmologiche,vulcanologiche, meteorologiche, ecc.), pianificazione di interventi chirurgici, rappresentazioni del territorio, ecc.Tipi di Clienti: Industrie, Enti Pubblici, Sanità, ecc.

SERVIZI DI VISUALIZZAZIONE DATI

Tecnologia per la visualizzazione tridimensionale per il design in scala reale e la prototipazione virtuale. La compresenzadell’ambiente di simulazione e visualizzazione fa sì che i risultati della simulazione possano essere resi direttamente nel-l’ambiente virtuale. È possibile utilizzare lo schermo retroproiettato per il design in scala reale di prodotti e manufatti oltreche del modello CAD e del modello FEM.Campi Applicativi/Clienti:supporto alla progettazione industriale, simulazioni di ingegneria, simulazioni scientifiche (cosmologiche, vulcanologiche,meteorologiche, ecc.), pianificazione di interventi chirurgici, rappresentazioni del territorio, ecc. Tipi di Clienti: Industrie; Enti Pubblici; Sanità; ecc.

TEATRO VIRTUALE

ESEMPI DI SOLUZIONI E SERVIZI UTILIZZABILI

il successo del prodotto è un fattore chiaveper il successo commerciale del prodottostesso. Oltre ai CAD/CAE è utile l’utilizzo de-gli ambienti di realtà virtuale per il de-sign avanzato in scala reale dei prodotti.L’adozione di tecniche di modellizzazio-ne e prototipazione virtuale porta ad unmiglioramento della fase di progettazio-ne e di conseguenza comporta:• la riduzione o eliminazione di proto-

tipi fisici;• la riduzione dei costi di certificazio-

ne dei prodotti;• la riduzione dei costi di produzione;• la riduzione del time to market;• l’aumento della qualità complessiva

del prodotto.

Nelle aziende che hanno adottato tecnichedi modellizzazione e prototipazione virtua-le c’è stata una sensibile riduzione dei co-sti legati alla realizzazione di prototipi fisi-ci ed in alcuni casi si procede alla certifi-cazione dei prodotti direttamente a partiredal modello e non sulla base di un prototi-po. I tempi e i costi di realizzazione delmodello virtuale sono spesso di molto infe-riori alla realizzazione di prototipi fisici,anche se questo dato varia da settore a set-tore. Analizzando il modello virtuale e ilsuo comportamento a priori è possibile ot-timizzare l’impiego dei materiali e quindiridurre i costi di produzione, considerandosempre che anche l’entità di questo datovaria da settore a settore.

IN

NO

VA

ZI

ON

ED

IG

IT

AL

EI

NN

OV

AZ

IO

NE

DI

GI

TA

LE


1514

La dotazione delle serie di prodotti CAD/CAE per la realizzazione e l’analisi dei modelli 3D e l’acquisizione delle risorsedi calcolo necessarie sono sicuramente le due voci di costo più significative, cui fanno seguito l’acquisizione delle compe-tenze necessarie per condurre le analisi. Per far uso di strumenti di realtà virtuale occorre dotarsi di un sistema di proiezione adeguato e di applicativi che con-sentono di visualizzare modelli 3D. Molte grandi aziende sostengono i costi di acquisizione degli strumenti; le piccole e medie aziende hanno maggiori diffi-coltà, poichè il carico di lavoro potrebbe non giustificare un investimento importante. Queste realtà possono però beneficiarne dall’utilizzo di centri di servizi che possono fornire loro gli strumenti necessarion-demand. Infatti alcune applicazioni software per l’analisi FEM sono adeguate per molti tipi di simulazioni, altre sono più specifi-che e dedicate solo a particolari tipi. Spesso le aziende sono dotate solo di quelle di uso più comune, rinunciando a con-durre le simulazioni che richiederebbero l’uso di codici più specifici. Anche in questo caso un centro servizi dotato diun’ampia gamma di pacchetti software utilizzabili on-demand rappresenta un grosso vantaggio per chi non desideracompiere grossi investimenti iniziali.

TIPOLOGIA DI COSTI LEGATI ALL’ADOZIONE DI STRUMENTI DI MODELLIZZAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE

Le risorse di calcolo sono costose per l’a-zienda sia in fase di acquisto che di gestio-ne e sono dimensionate sui carichi di lavo-ro medi, rendendo difficile, se non impos-sibile, la gestione di carichi di lavoro di pic-co o limitando le possibilità di analisi alladisponibilità di risorse limitate. È nato quindi il concetto di calcolo on-de-mand che consente alle aziende di ester-nalizzare il calcolo tecnico-scientifico le-gato alla modellizzazione e alla prototipa-zione dei prodotti secondo le sue esigenze,servendo carichi di picco, consentendo dicondurre simulazioni che non potrebbecondurre in casa o per mancanza di risor-se di calcolo o per mancanza di licenze deiprodotti SW necessari alla simulazione.

CONCLUSIONI

La modellizzazione e la prototipazione vir-tuale sono strumenti che stanno penetran-do sempre più nelle imprese del settore ma-nifatturiero per aumentare la competitivitàe favorire l’innovazione. Le grandi aziendehanno dei carichi di produzione che giu-stificano gli investimenti ed i costi peracquisire la strumentazione necessaria. Le piccole e medie aziende possono avva-lersi di centri di servizi che offrono stru-menti per la modellizzazione e la prototi-pazione virtuale on-demand. Tutte le imprese possono infine avvalersi dicentri che offrono servizi di calcolo on-de-mand per servire i carichi di picco o ester-

IN

NO

VA

ZI

ON

ED

IG

IT

AL

E


17

Le tecnologie di calcolo ad alte prestazionisono di supporto alla prototipazione virtua-le, abilitando la possibilità di studiare mo-

delli complessi in tempi brevi e rendendo-ne possibile la loro visualizzazione in am-bienti di realtà virtuale.

IN

NO

VA

ZI

ON

ED

IG

IT

AL

E

16

Tempo di supercalcolo

Il costo della licenza è interamentea carico del cliente. Per utilizzo deicodici in parallelo su 16 processori ilcosto è di qualche decina di migliaiadi €/anno, e varia a seconda deiprodotti che si usano.Altri prodotti hanno un costo di acquistoche va a sommarsi alla manutenzioneannuale.

Il costo di utilizzo della licenza è in% funzione del tempo di uso del ser-vizio.

Il costo unitario è di qualche €/oraa processore e varia in funzione deivolumi di utilizzo.Viene calcolato e utilizzato libera-mente su base annua.

Idem ad ‘esclusiva’

Nessun costo aggiuntivo se viene uti-lizzato lo stesso post-processor delpackages di modellizzazione. Perl’uso di ulteriori packages di visua-lizzazione 3D il costo della licenza èinteramente a carico del cliente.

Per l’uso di ulteriori packages di vi-sualizzazione 3D il costo di utilizzodella licenza è in % funzione deltempo di uso del servizio.

Tempo di utilizzo del teatro Il costo è calcolato a giornata ed è diqualche centinaia di €.


Supporto specialistico Il costo è calcolato su base giornalie-ra per tipo di supporto.


ORDINI DI GRANDEZZA DI COSTI DELLE APPLICAZIONI

I sistemi di calcolo ad alte prestazioni sono generalmente utilizzati per abilitare le attività di modellizzazione e prototi-pazione virtuale. Le aziende dotate di una struttura IT al loro interno hanno spesso delle risorse dedicate al calcolo tecnico scientifico perle attività di modellizzazione. Le risorse di calcolo dedicate a queste attività hanno un ciclo tecnologico breve e sono dinorma adeguate al livello medio di quelle che sono le necessità medie della produzione. In presenza di carichi di lavoro di picco le risorse possono mostrarsi inadeguate o possono limitare le possibilità di analizzare mo-delli complessi o ridurre i tempi di simulazione. In tutte queste situazioni risulta particolarmente utile ricorrere a risorse di calcoloon-demand per rispondere a carichi di picco o abilitare la possibilità di ridurre i tempi di simulazione e rendere possibile l’analisidi modelli complessi o effettuare analisi stocastiche sulle variabili dei modelli per avere risultati maggiormente attendibili.I vantaggi del calcolo on-demand sono numerosi:• disponibilità di una risorsa di calcolo virtualmente illimitata;• utilizzo delle risorse di calcolo solo quando effettivamente necessario;• calibrazione degli investimenti in risorse di calcolo secondo le reali necessità;• riduzione dei costi di gestione delle risorse di calcolo interno.Alcune aziende che hanno un dipartimento IT al loro interno particolarmente snello stanno considerando di esternalizza-re completamente il calcolo tecnico scientifico affidandolo a centri di calcolo esterni.

QUALI BENEFICI IL CALCOLO ON-DEMAND INTRODUCE IN AZIENDA

Utilizzo in esclusiva Utilizzo ‘on demand’Packages di ProgrammotecaLicenze

Teatro virtualeLicenze

sferimento tecnologico per il calcolo e lereti ad alte prestazioni della CommissioneEuropea (HPCN) e messa a disposizione disistemi di operatori dei settori manifatturie-ro e dei servizi.

Riportiamo qui di seguito alcune dellecasistiche più significative di applicazio-ni di supercalcolo per progettazioni, si-mulazioni, prototipazioni e visualizza-zioni virtuali.

IN

NO

VA

ZI

ON

ED

IG

IT

AL

E


19

nalizzare completamente il calcolo tecni-co scientifico. Per sostenere la concorren-za ed affrontare la sfida del mercato globa-le, le industrie percorrono sempre più rapi-damente la strada dell’innovazione.

Le aziende italiane ed europee hanno com-piuto un notevole salto di qualità con l’in-troduzione della tecnologia del calcolo adalte prestazioni nei processi produttivi. È stata realizzata una rete di centri di tra-

IN

NO

VA

ZI

ON

ED

IG

IT

AL

E

18

Nel settore dei MATERIALI PLASTICI le applicazioni sviluppate di-mostrano che è possibile simulare il soffiaggio della plastica alcomputer per ottimizzare la produzione di stampi, così come sonostati evidenziati grandi vantaggi derivanti dall’adozione di un si-stema automatico di controllo visuale della qualità del prodotto fi-nale che sfrutti le potenzialità del calcolo ad alte prestazioni. • Progetto SIMPLAST: simulazione migliorata del processo di sof-fiaggio per l’industria della plastica. Fase di design avanzata ri-programmata per un uso migliore dei nuovi materiali come il po-lipropilene: -60% in costi di prototipazione, -15% in tempo di pro-gettazione, -20% in time to market. • Progetto EXAMINA: controllo di qualità non invasivo durante laproduzione di bottiglie in plastica. Fino a 10,000 pezzi/ora con-trollati in tempo reale; -10% in meno di scarti, riduzione dei costidell’8-12%. • Progetto QUAC: sistemi di controllo della qualità della graficanella produzione di carte stampate. Un brevetto registrato, un si-stema adattato per analizzare le decorazioni delle piastrelle cera-miche, un ampio mercato potenziale.• Progetto VIPLAST: un sistema di ispezione visuale per la produ-zione di gocciolatoi e tubi per l’irrigazione. Riduzione dell’80%dei costi globali dovuti a cattiva qualità. Una campagna Zero-Di-fetti migliora l’affidabilità dell’azienda.

Nel DESIGN INDUSTRIALE grandi vantaggi in termini di tempo edi soldi investiti possono derivare dall’impiego di simulazioni, ca-ratterizzate da un tempo di calcolo compatibile con le necessità

industriali, nel disegno del prototipo o nell’ottimizzazione di unprodotto esistente.• Progetto FLUSI: progettazione di un atomizzatore per l’aziendaSACMI (industria della Ceramica) mediante l’utilizzo di tecnichenumeriche per l’analisi fluidodinamica dei flussi di particelle al-l’interno dell’atomizzatore.• Progetto POPCORN: utilizzo di tecniche di simulazione e model-listica numerica nella progettazione di forni a microonde. Per in-vestigare il comportamento elettromagnetico della struttura delforno in termini di uniformità del campo, in relazione sia alla con-figurazione di eccitazione che alle proprietà del carico. Sviluppo diun nuovo forno a microonde, con caratteristiche migliorate grazieai risultati ottenuti dalla simulazione; è già stato sviluppato e in-trodotto nel mercato. I risparmi nel processo di sviluppo sono sta-ti: riduzione in tempo di sviluppo del 30%, riduzione dei costi cor-relati del 35%, riduzione drastica del time-to-market.• Progetto MYSHANET: simulazione parametrica a molti corpi peril supporto alla progettazione di nuove sospensioni per veicoli adue ruote. Riduzione del 30% del time to market per la progetta-zione di ammortizzatori.• Progetto VROOM: sviluppo di un sistema a microcontrollore permigliorare il controllo delle emissioni dei gas di scarico in un mo-tore ad alte prestazioni.

Nell’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE, il calcolo ad alte prestazioni haofferto un potente strumento per realizzare lo sviluppo, verso so-luzioni innovative, di prodotti che erano già presenti in modo con-

ALCUNE APPLICAZIONI PER SETTORE

solidato sul mercato. Questo è stato per esempio il caso dello svi-luppo di un nuovo lettore di codici a barre bidimensionali (BBC),dove questa tecnologia ha reso possibile l’elaborazione dell’im-magine in tempo reale.

Nell’INDUSTRIA BIOTECNOLOGICA lo scopo della simulazione èquello di permettere un risparmio in termini di tempo e di inve-stimento economico nella realizzazione di prodotti personaliz-zati sulle necessità del cliente, dove l’unicità del pezzo prodottorenderebbe estremamente oneroso un approccio di tipo tradi-zionale. • Progetto DRUG: lo studio di nuovi farmaci può trovare una spin-ta notevole dall’impiego della simulazione nella fase iniziale diprogetto (approccio CADD - Computer Assisted Drug Design). Da-ta la complessità dei calcoli coinvolti l’utilizzo di supercalcolo sirende necessario e apre notevoli prospettive per le case farma-ceutiche coinvolte. Nuovi farmaci scoperti grazie al Computer Assisted Drug Design.Fondato un laboratorio che utilizza tecniche HPC per la modelliz-zazione molecolare.

Nel settore della PROTEZIONE AMBIENTALE si incontrano proble-mi molto complessi. Come, ad esempio, lo studio della contami-nazione del terreno dovuta ai residui dei pesticidi. Questo feno-meno è caratterizzato dall’elaborazione di enormi quantità di da-ti e in questi casi l’approccio supercalcolo può rivelarsi fondamen-tale per rendere maneggevoli le simulazioni.

• Progetto DESIREE: sviluppo di un sistema di supporto alle deci-sioni.Per aiutare la definizione della strategia più appropriata in casodi un evento alluvionale catastrofico.

Anche nel MONDO FINANZIARIO, l’introduzione di tale tecnologiapuò risultare strategica. Per esempio, nel far diventare uno strumento di supporto effica-ce, affidabile ed anche economico la simulazione per le decisionidel management nel campo dell’analisi di bilancio. Oppure permigliorare significativamente le prestazioni di strumenti per l’a-nalisi visuale dei dati da applicarsi al ‘data mining’ nel campo delmarketing finanziario.• Progetto MARKETMINE: disegno di un database dei clienti ban-cari. Tecniche di data mining e strumenti per la visualizzazionedei dati combinati. Un nuovo approccio centrato sul cliente nelmarketing finanziario. • Progetto PALMA (Parallel asset liability management). Simula-zione stocastica di Asset & Liability (Risks Management Group, Uni-Credito Italiano). PALMA è un simulatore stocastico di profitti e per-dite di fogli di bilancio. La simulazione probabilistica è ottenuta at-traverso il metodo Montecarlo, generando a caso migliaia di sce-nari economici e valutando l’impatto di ognuno di loro sul foglio dibilancio e P&L. Taglio netto dei costi di apprendimento, implemen-tazione e mantenimento. Permette una velocizzazione di cinqueordini di grandezza rispetto ai sistemi esistenti, fornendo 40000previsioni di fogli di bilancio e P&L a 5 anni in meno di 30 minuti.

20

IN

NO

VA

ZI

ON

ED

IG

IT

AL

E

MESHL’immagine fa vedere la suddivisione della struttura (mesh) di due ingranaggi.Si nota l’infittimento della mesh nelle zone che saranno interessate dal contatto.

PARTICOLARE DENTIÈ un‘immagine che serve a fare vedere meglio la mesh nei denti delle ruote

dentate.

TENSIONIImmagine di un dettaglio delle tensioni. Si vede come la concentrazione di tensioni sia elevata nella zona di contatto tra i denti e alla base dei denti (zone rosso/gialle)

FORZE DI CONTATTOImmagine delle forze di contatto che si scambiano i due denti. Il vettore è tanto

più grande quanto maggiore è la forza di contatto.

ESEMPIO PRATICO: STUDIO PER L’ACCOPPIAMENTO DI RUOTE DENTATE

Modellizzazione e prototipazione virtuale

Documents

Transcript of Modellizzazione e prototipazione virtuale