Esamuele Santoro » 1.Introduzione al CAD

Introduzione alla progettazione

La progettazione è un processo iterativo, che partendo da requisiti funzionali, geometrici, di produzione, ambientali, economici, sociali, ecc. perviene a un prodotto, che sia in grado di soddisfare i precedenti requisiti, vincoli, obiettivi, ecc. di progetto.

Il processo di progettazione, o cicli di vita di un prodotto, è costituito da diversi steps, che prevede una fase iniziale in cui vengono definiti i requisiti e vincoli di progetto e una fase finale, se i requisiti e vincoli sono stati raggiunti, in cui si realizza il prodotto.

Tra queste due fasi vi sono altre fasi in cui si descrive la geometria, si eseguono delle analisi, si valutano le performance del prodotto, ecc..

Se la valutazione è negativa si può ripetere il ciclo, e basandosi sulle analisi e informazioni acquisite si modifica la geometria o i requisiti iniziali del prodotto.

Se dopo diversi cicli si ritiene che i requisiti o la geometria non possono essere ulteriormente modificati, il processo termina senza aver trovato una soluzione al problema.

Durante la fase di produzione e commercializzazione del prodotto si possono verificano dei problemi, come: difficoltà di assemblare delle parti, costi di produzione elevati, nuove richieste del mercato, ecc., in questi casi occorre ripetere il processo di progettazione modificando la geometria e/o i requisiti di progetto.

Introduzione alla progettazione

In Fig. 1.1 è mostrato un semplice ciclo del processo di progettazione

Introduzione alla progettazione

La prima volta che si esegue la fase della descrizione della geometria, è possibile dare una descrizione di massima della geometria, che dovrà nei cicli successivi essere sempre più dettagliata. Durante la fase delle analisi, si devono eseguire tutte quelle analisi che si ritengono necessarie, mentre la fase della valutazione richiede l’adozione di un opportuno criterio di valutazione, che generalmente è un compromesso tra costi di produzione, qualità di lavorazione, prestazioni, requisiti, ecc. del prodotto.

La progettazione può riguardare:

• un miglioramento delle caratteristiche di un prodotto già esistente
• la creazione di un nuovo prodotto, che può richiedere la pianificazione e
• progettazione, nuove linee di produzione, di assemblaggio, di distribuzione, ecc..

Spesso si indica col temine di product development il processo di progettazione di un nuovo prodotto.

In generale, i requisiti e/o gli obiettivi di prodotto non possono essere tutti soddisfatti, come nel caso in cui si richiede la progettazione di un velivolo che abbia minor peso ed una elevata affidabilità strutturale. In tali casi, con i metodi di ottimizzazione multi- obiettivo si può trovare una soluzione “efficiente” , che è un compromesso tra i diversi obiettivi.

Introduzione alla progettazione

La riduzione dei costi e del time-to-market sono due importanti obiettivi che occorre considerare già nella fase iniziale della progettazione, perché il successo commerciale di un prodotto richiede che esso sia disponibile quando esistono delle esigenze e dei bisogni da soddisfare e abbia un costo contenuto.
Pertanto, un ottimo prodotto, che richiede tempi lunghi di produzione, perché occorre realizzare e pianificare nuovi sistemi di produzione, può essere meno efficiente di un altro prodotto, con prestazioni inferiori, però prevede l’utilizzo di materiali e processi di produzione già disponibili e quindi ha tempi di progettazione/produzione inferiori, per cui può essere in grado di soddisfare in tempo utile le esigenze del mercato.

Attualmente, si progetta quasi sempre un prodotto in previsione di esigenze future, in modo che il cliente lo possa trovare quando le esigenze si manifestano. In questi casi il tempo di progettazione/produzione dovrebbe coincidere col time to customer.

Esistono molti modelli per rappresentare il processo di progettazione, che dipendono dalla complessità del prodotto da realizzare, dal numero delle competenze richieste, ecc.. Un prodotto semplice può richiedere un solo o pochi progettisti, mentre, se il prodotto è complesso, come può essere un velivolo o un’autovettura, ecc., nel processo di progettazione devono essere coinvolti, già nella fase iniziale (Conceptual Design), un team di progettisti o esperti di differenti discipline, in modo che i criteri di valutazione e scelta della soluzione tenga conto delle esigenze e degli obiettivi di tutti i componenti del team.

Introduzione alla progettazione

Per questi prodotti complessi, per ridurre il time-to-market, si adotta spesso un modello di progettazione dove le diversi fasi del processo non sono in serie ma in parte si sovrappongono, e quindi si ha un processo di progettazione con fasi in parallelo.

Quando si adotta un approccio con fasi in parallelo risulta indispensabile avere un efficiente coordinamento tra le differenti fasi del processo di progettazione, ciò è oggi possibile con le nuove tecnologie informatiche (IT) dove l’informazione e le conoscenze acquisite possono essere aggiornate e condivise in tempo reale tra tutti i progettisti.

Un processo di progettazione che coinvolge un team di progettisti viene indicato come Concurrent Engineering. Un responsabile del progetto assegnerà a ciascun progettista dei privilegi in modo che i progettisti possano accedere ad un comune database in cui sono riportate le informazioni sullo stato di sviluppo del prodotto e possano intervenire in tempo reale nel processo di progettazione inserendo nuove informazioni.

Il Concurrent Engineeering richiede che già nella fase iniziale del processo di progettazione vi sia una condivisione tra il team dei requisiti e obiettivi di progetto e della loro importanza relativa. Aver condiviso e definito gli obiettivi anche con esperti della produzione, permette di eliminare o ridurre possibili imprevisti che si possono presentare durante la fase finale di produzione. Tutto ciò comporta una riduzione sia del time to market sia dei costi di produzione.

Introduzione alla progettazione

Un semplice e tradizionale schema del processo di progettazione è costituito da un ciclo di cinque fasi, così distinte:

1. definizione dei requisiti e prima scelta di progetto
2. analisi
3. sintesi
4. simulazione
5. valutazione e decisione

La fase delle simulazione permette di valutare alcune caratteristiche del prodotto e può richiedere anche la costruzione di un prototipo in scala, che si può realizzare con la tecnica della “prototipazione rapida“.
Tale tecnica, basandosi sul modello geometrico virtuale, permette di avere in tempi brevi un modello fisico reale (Mock Up) del prodotto, su cui si possono analizzare e valutare delle caratteristiche del prodotto.
Alcune valutazioni e analisi non possono essere effettuate sul Moch up reale, perché il modello fisico non sempre è in scala ed è realizzato con materiale plastico.

Introduzione alla progettazione

Lo schema di modello utilizzato per descrivere le fasi del processo di progettazione può dipendere dal particolare campo di applicazione e dall’organizzazione aziendale.

Ad esempio, nel caso di un progetto innovativo, la fase iniziale diventa molto importante, per cui occorre ben descrivere i requisiti funzionali, economici, ecc., conoscere eventuali altre soluzioni presenti, così da pervenire ad una prima configurazione concettuale del prodotto che sia ben chiara.

Nel caso di un progetto di un nuovo velivolo devono essere ben analizzati gli iniziali requisiti aerodinamici e strutturali già nella prima fase del Conceptual Design, perché occorre avere una prima configurazione di massima del velivolo in cui già sono previsti i principali elementi strutturali che devono essere sia in grado di resistere ai carichi aerodinamici.

Un tipico processo di progettazione di un velivolo, con la descrizione di ciascuna fase è riportato nella Tab. 1.

Introduzione alla progettazione

Introduzione alla progettazione e CAD

Il progettista si è sempre avvalso di strumenti tecnici per eseguire calcoli durante il processo di progettazione. La realizzazione dei primi computer digitali, permise ai progettisti di eseguire dei calcoli, che venivano svolti con maggior precisione e in tempi più brevi.

• Nella metà degli anni 1960, gli sviluppi dell’hardware e del software comportò la realizzazione di computer con delle interfacce più facili e con buone capacità grafiche, che li resero utili per svolgere sia i calcoli sia per eseguire operazioni grafiche semplici come quella di eseguire i disegni, e venne coniato il termine acronimo CAD, dove la lettera D stava più per Drawing che per Design.

L’introduzione dei sistemi CAD ( Computer Aided Design)/ CAM ( Computer Aided Manufacturing) comportò una modifica dei metodi e processi tradizionali del Disegno Tecnico, della progettazione e produzione di un prodotto.

A partire dagli anni ‘70 i sistemi CAD si diffusero in molti settori industriali, e non si limitarono più ad eseguire il drawing del prodotto, ma erano in grado di effettuare alcune analisi previste dal processo di progettazione, come il calcolo delle proprietà di massa, calcolo strutturale mediante FEA ( Finite Element Analysis), analisi delle tolleranze, creazione di assemblaggi, generazione di immagini shaded e documentazione, ecc.

Introduzione alla progettazione e CAD

Attualmente sarebbe impensabile progettare un prodotto senza l’ausilio del computer, specialmente se la progettazione del prodotto coinvolge molti progettisti che operano in diversi luoghi e devono interagire e collaborare tra di loro (Concurrent Engineering).

Il processo CAD è una parte del processo di progettazione e comprende principalmente le fasi del Conceptual Design, dell’analisi e creazione di drawings e documentazione tecnica. Il processo CAD è il risultato di tre importanti discipline :

• modellazione geometrica
• computer graphics
• metodi di progettazione

Un sistema CAD è costituito da hardware e di software, quest’ultimo è un programma scritto in linguaggio C o C++ ed è progettato per poter girare su quasi tutti gli hardware e sistemi operativi (UNIX, Linux, Windows, e Macintosh).

I primi sistemi CAD furono realizzati per eseguire solo alcuni calcoli, come la disegnazione, FEM, ecc. e i spesso i diversi moduli del sistema CAD non erano ben integrati tra di loro. Pertanto, si poteva avere che, per ogni applicazione, era necessario creare un modello geometrico del prodotto, perché il modello geometrico per eseguire i disegni non era idoneo per eseguire anche i calcoli strutturali o per le analisi aerodinamiche.

Introduzione alla progettazione e CAD

Attualmente, esistono diversi sistemi CAD, che si differenziano per i campi di applicazione come quello meccanico, elettrico, architettonico, ecc., ma tutti i CAD hanno un comune modulo, che è quello preposto alla costruzione del modello geometrico, su cui poi verranno effettuate le analisi, simulazioni, e da cui si otterranno disegni, documentazione, ecc..

La geometria e la topologia del modello geometrico è memorizzata in un database, che è un struttura dati che può essere utilizzata anche dai sistemi CAM (Computer Aided Manufacturing).

Con il CAD è possibile avere un Mock Up digitale di un prodotto, che contiene le relazioni tra tutte le parti che compongono il prodotto. Il Mock Up digitale è utile sia nelle fasi della progettazione sia nella gestione e produzione delle singole parti o dei sotto-assemblati. Infatti il database del modello solido non si limita alle sole informazioni geometriche ma contiene informazioni sulla produzione o gestione di tutte le parti di un prodotto.

Per poter utilizzare i sistemi CAD anche a prodotti che in passato furono prodotti senza l’ausilio dei sistemi CAD, si sono sviluppate delle tecniche di Reverse Engineering, che rilevando mediante misurazioni ( CMM – Coordinate Measuring machine, laser, ecc.) la geometria di prodotti reali permettono di creare un modello geometrico solido, che può essere così esportato in un sistema CAD.

Introduzione alla progettazione e CAD

A partire dagli anni ‘70 i sistemi CAD si diffusero in molti settori industriali, e non si limitarono più ad eseguire il drawing del prodotto, ma erano in grado di effettuare alcune analisi previste dal processo di progettazione, come il calcolo delle proprietà di massa, calcolo strutturale mediante FEA ( Finite Element Analysis), analisi delle tolleranze, creazione di assemblaggi, generazione di immagini shaded e documentazione, ecc.

Introduzione alla progettazione e CAD

Un progettista CAD deve avere delle buone basi di geometria, se vuole conoscere le proprietà e i limiti dei modelli geometrici e per poter scegliere e costruire il modello geometrico più idoneo alle sue esigenze.