Modellizzazione e prototipazione virtuale

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Modellizzazione e prototipazione virtuale

  1. 1. I N N O V A Z I O N E D I G I T A L E IMPRESE X INNOVAZIONE Modellizzazione e prototipazione virtuale Questa guida è stata realizzata I N N O V A Z I O N E 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,D I G I T A L E 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: toolkit@confindustria.it www.confindustriaixi.it
  2. 2. D I G I T A L EMODELLIZZAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE I N N O V A Z I O N EIL CONTESTO ATTUALE vantaggio competitivo ‘continuamente’ e ‘velocemente’, anche attraverso l’utilizzoL’attuale contesto economico ha come princi- di strumenti ICT adeguati che supportinopale caratteristica quella di essere in continua soprattutto le attività “core” dei processi in-‘fibrillazione’ e, di conseguenza, le aziende terni alle loro aziende.che vi operano devono essere in grado di ade- Sia nelle PMI che nelle grandi aziende cheguarsi prontamente ai mutamenti e saper pre- hanno come mission la progettazione e lavenire i gusti dei clienti e dei consumatori. vendita di prodotti e/o servizi sempre piùLe aziende devono saper governare e ge- competitivi, ha grande importanza il setto-stire soprattutto: strategia, organizzazione, re che si occupa della progettazione e in-management; per poterlo fare in maniera gegnerizzazione dei prodotti.efficace nel contesto attuale occorrono in- Ampia è la gamma dei settori nei quali taletuito, estro, creatività. funzione ricopre un ruolo fondamentale:I manager devono saper attivare e gestire meccanico, elettrico, elettronico, chimico,la creatività indirizzandola adeguatamen- minerario, moda, tessile, medico, farma-te; devono saper innovare e rafforzare il ceutico, agrario, ecc. 1
  3. 3. MODELLIZZAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE D I G I T A L E INGEGNERIA DEI PRODOTTI connessi, coinvolgendo quindi sia aspetti propriamente ingegneristici sia competen- Una seconda problematica afferisce ai metodi e sistemi, in particolare agli aspetti economici della gestione di tali sistemi: Nelle aziende che sviluppano e produco- ze in altri settori, con particolare importan- - le metodologie e gli strumenti per le progettazioni dei prodotti e dei processi; no prodotti e/o servizi, le aree che si oc- za in quello economico-gestionale. - i metodi di modellizzazione dei processi di sviluppo del prodotto, di utilizzo anche di modelli virtuali, di modellizzazione cupano dell’“ingegneria del prodotto” si Sempre in relazione al settore metalmecca- dei prodotti nel ciclo di vita, gestione delle documentazioni dei prodotti; avvalgono di personale molto preparato, nico, le aree culturali di riferimento sono le - l’analisi e la modellizzazione per il progetto integrato dei sistemi produttivi, distributivi e della relativa logistica; sia dal punto di vista culturale che scien- tecnologie specifiche, le metodologie di svi- - l’analisi e la progettazione degli specifici impianti industriali, incluse le valutazioni di fattibilità ed economiche; tifico, con approfondite conoscenze sia luppo, l’analisi del prodotto, i sistemi di pro- - l’automazione dei sistemi di produzione, previa l’analisi di convenienza economica di sistemi integrati e flessibili (FMS, robot e I N N O V A Z I O N E celle di lavorazione);I N N O V A Z I O N E nell’area tecnologico-produttiva che eco- duzione, gli impianti, la programmazione e nomico-gestionale. Il team è quindi in la gestione della produzione, la gestione in- - l’analisi e la progettazione ergonomica e della sicurezza dei sistemi produttivi; grado di affrontarne i problemi inerenti tegrata della qualità, il project management, - la pianificazione dei processi e la simulazione/ottimizzazione dei flussi dei materiali nei processi produttivi e di consegne; attraverso una visione globale del proces- l’ottimizzazione dei flussi di produzione, la - la programmazione e la gestione dei sistemi di lavorazioni, assemblaggi, controlli per i prodotti; so di sviluppo e di produzione. protezione dell’ambiente di lavoro, l’affida- - la gestione della qualità e delle manutenzioni; Le questioni attinenti al tema citato rivesto- bilità e la sicurezza del prodotto, in relazio- - le metodologie di prototipazione, anche virtuale, ed i relativi strumenti di rappresentazione, anche per modellizzazioni e no carattere fortemente interdisciplinare e, ne al processo di fabbricazione, e i sistemi simulazioni, applicabili in molti settori produttivi; come ad esempio accade nel settore me- informatici aziendali. - i metodi e strumenti di rappresentazione per le simulazioni sia del funzionamento del prodotto sia del processo di fabbricazione. 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- ICT ED INNOVAZIONE novativi, possibilmente integrati, e comprende: DI PRODOTTO E DI PROCESSO - le fasi di ideazione, progettazione, fabbricazione, assemblaggio, controllo, ecc.; - le tematiche tipiche dellingegneria concorrente e di progettazione/ Attualmente stiamo assistendo ad un forte svi- produzione assistite da calcolatori; luppo delle Tecnologie Informatiche e delle - la caratterizzazione tecnologica dei materiali da trasformare; Telecomunicazioni e del loro utilizzo all’in- - la determinazione delle caratteristiche ottime di prodotto; terno delle imprese. Da ciò ne consegue l’opportunità per le azien-D I G I T A L E - la determinazione dei parametri ottimi di processo, che consentano di minimizzare i costi ed i tempi di fabbricazione; de di apportare al loro interno migliorie all’or- - la progettazione e gestione della qualità e della salvaguardia dellambiente; ganizzazione, anche radicali. Oggi gli stru- - la prototipazione, oggi possibile anche ‘virtuale’. menti ICT consentono di ricoprire e supporta- re con l’utilizzo dei calcolatori moltissime fasi dei processi di progettazione e di produzione. talmeccanico, spaziano dall’analisi del pro- I manager possono essere aiutati da strumenti cesso progettuale, all’ingegnerizzazione, ICT ormai adeguati, ma anche ‘innovativi’, dall’individuazione del migliore processo che possono contribuire ad apportare miglio- produttivo, alla gestione dei sistemi di pro- ramenti sensibili alle attività di innovazione duzione e dei sistemi informativi ad esso dei prodotti/processi nelle loro aziende.2 3
  4. 4. MODELLIZZAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE D I G I T A L E MANAGEMENT ed agli strumenti informatici di ausilio alla DI PRODOTTO ED ICT progettazione per automatizzare, quindi velocizzare, processi altrimenti ripetitivi e Esperti e manager dell’Ingegneria di pro- lenti. dotto sono tra le persone che hanno le Spesso un progetto industriale può essere il maggiori responsabilità di innovazione nel- risultato della cooperazione di più azien- le aziende. Devono conoscere le tecniche, de: ciò rende necessario scambiare e con- gli standard tecnologici correnti e le ‘best frontare il più possibile le informazioni e le I N N O V A Z I O N EI N N O V A Z I O N E practices’ di riferimento. Devono provve- proposte progettuali tra i vari gruppi di la- dere alla formazione ed al supporto degli voro che collaborano allo stesso progetto. addetti specifici della loro area. La progettazione assistita dal calcolatore Ricerca, innovazione e sviluppo di nuovi rappresenta uno strumento fondamentale prodotti in tempi ristretti divengono un im- nella progettazione industriale, sia nella portante investimento per le aziende proiet- grande azienda che nella piccola-media tate verso il costante soddisfacimento dei impresa manifatturiera. propri clienti. Il concepimento di un nuo- La valutazione delle prestazioni del prodotto vo prodotto è uno dei momenti fondamen- già in fase di progettazione, resa possibile tali nella crescita di una azienda. dalle attuali tecnologie CAD/CAM/CAE, sta Innovare significa non solo creare nuove acquisendo sempre maggiore rilevanza in or- strategie di mercato, ma investire anche sul dine alla realizzazione di prodotti il più pos- cambiamento di mentalità del personale sibile rispondenti alle richieste, ed alla ridu- coinvolto, per una corretta valutazione ed zione della tempistica che intercorre tra l’i- impiego delle tecnologie emergenti: de- Il rapido e continuo evolversi del contesto ESEMPI DI SISTEMI INNOVATIVI deazione dei medesimi ed il loro ingresso nel sign, progettazione industriale, enginee- di mercato nel quale le aziende sono chia- PER LO SVILUPPO DI PRODOTTI, mercato. ring, modellizzazione 3D, prototipazione mate ad operare richiede pronte ed ade- PER LA GESTIONE La progettazione 3D (a 3 dimensioni) rea- rapida, prototipazione virtuale, etc. guate risposte. E LA CONDIVISIONE lizzata mediante i principali strumenti CADD I G I T A L E DELLE INFORMAZIONI presenti sul mercato può essere affiancata SOSTEGNO DELL’ICT IN AZIENDA DI PRODOTTO dalle simulazioni numeriche nei settori in È ormai pacifico che un valido supporto dell’ICT è indispensabile in azienda. cui occorrono calcoli di tensioni-deforma- Un problema è il rimanere aggiornati sulle novità tecnologiche e sulle loro funzionalità più importanti. L’elevata concorrenza nel settore industria- zioni, cinematica, fluidodinamica, ecc... le pone come obiettivo alle singole azien- Occorre essere in grado di seguire il pro- Esempi di requisiti generali per supporti ICT necessari per i ‘Technical Decision Makers’: de di immettere sul mercato prodotti di ele- cesso di sviluppo di un prodotto dall’idea- - utilizzo di strumenti tecnologici affidabili e di ultima generazione; vata qualità, a minori costi e nel più breve zione alla industrializzazione. La struttura - disponibilità e impiego fattivo delle più recenti ricerche ed applicazioni tecnologiche; tempo possibile. di gestione deve essere flessibile e capace - formazione alla ottimizzazione delle prestazioni e dell’efficacia delle Applicazioni; In risposta a queste esigenze, sempre mag- di affrontare efficacemente progetti di varie - ausilio alla ottimizzazione dei systems management e dei processi di supporto. giore è il ricorso all’impiego dei calcolatori dimensioni.4 5
  5. 5. MODELLIZZAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE D I G I T A L E SUPPORTI DI CAD, CAE, CAM. ALTRI SUPPORTI (FEA, PROTOTIPAZIONE VIRTUALE) In tempi recenti si è assistito ad un considerevole impiego dei sistemi CAD/CAM/CAE nella progettazione. Le- La realizzazione di software specifici di analisi, anche incorporati nel CAD, ha reso accessibile a moltissimi progettisti lAnalisi agli voluzione dei sistemi CAD in particolare ha reso possibile la creazione di modelli virtuali che offrono sia la pos- Elementi Finiti (FEA), che ora può essere parte integrante del processo di sviluppo dei prodotti. sibilità di studiare a fondo un oggetto attraverso sistemi CAE, sia lopportunità di creare rapidamente prototipi Il software di analisi consente di verificare lintegrità di una progettazione prima della fase di produzione, prendendo in considera- fisici attraverso sistemi CAM. zione ad esempio la resistenza strutturale, la dinamica dei fluidi, il trasferimento termico e linterazione tra le parti in movimento. 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- Per l’analisi strutturale Mediante l’analisi ad elementi finiti (FEA) viene verificato il comportamento di un oggetto in progettazione sottoposto a condizioni I N N O V A Z I O N E formazioni cui attingono i sistemi per la simulazione e per la produzione o anche per la prototipazione rapida. simili al suo impiego o funzionamento. Lanalisi ad elementi finiti permette di studiare vari aspetti, quali: sollecitazioni massime,I N N O V A Z I O N E I vari gruppi che partecipano ad un progetto industriale possono utilizzare diversi software di progettazione per diverse finalità; è quindi anche prioritario poter scambiare in maniera efficiente le informazioni tra i vari spostamenti, vibrazioni, ottimizzazione dei parametri di progetto. gruppi di lavoro. 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. FIGURA 1 - SCHEMA CONCETTUALE DI UN PROCESSO DI PROGETTAZIONE PRODOTTI O IMPIANTI IMPORTANZA DELLE SOLUZIONI FIGURA 2 FLUSSO DI PROGETTAZIONE CON FLUSSO DI PROGETTAZIONE CON PROTOTIPAZIONE ICT - MODELLIZZAZIONE PROTOTIPAZIONE TRADIZIONALE VIRTUALE (IN ALTERNATIVA) E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE FASI DI PROGETTAZIONE SUPPORTO PROGETTAZIONE - ideazione modelli di parti e assiemi COMPUTERS - calcoli ‘ingegneristici’ (fisico, matematici, chimici, ecc.) CAD 2/3D Le tecnologie di calcolo ad alte prestazioni - disegno/grafica CAE possono oggi essere di valido supporto alla progettazione industriale, alla simulazione CAD CAE PROTOTIPO (in qualche caso) SUPPORTO SUPERCOMPUTERS numerica, alla modellizzazione ed alla pro- VIRTUALE COSTRUZIONE PRIMI PROTOTIPI Modellizzazione totipazione virtuale dei prodotti, fornendo “prototipazione rapida” PROVE E COLLAUDI PROTOTIPI Prototipazione “virtuale” la possibilità di studiare modelli complessi in tempi brevi e rendendone possibile la lo- Le risorse di calcolo, ed a maggior ragione MODIFICHE/ADATTAMENTI DI PROGETTI ro visualizzazione in ambienti di realtà vir- quelle ad alte prestazioni, sono costose per tuale. le aziende, sia in fase di acquisto che di ge-D I G I T A L E ITERAZIONI DI PROTOTIPI/PROVE/MODIFICHE Tali fasi si svolgono normalmente in sim- stione, e sono dimensionate sui carichi di biosi a monte e/o a valle del processo pro- lavoro medi. Ciò rende difficile e spesso COSTRUZIONE PROTOTIPI FINALI, PRE-SERIE gettuale di prodotto o servizio. impossibile l’elaborazione di carichi di la- PROVE E COLLAUDI PROTOTIPI FINALI Ricerche recenti mostrano che per ottenere voro consistenti, normalmente solo di pic- risultati attendibili dalle analisi dei modelli co, limitando così le possibilità di analisi. RILASCIO PROGETTI realizzati in fase di prototipazione, sono È tuttavia possibile ricorrere al supporto di necessari studi probabilistici delle variabili organizzazioni strutturate per il ‘calcolo on in gioco che consentano di analizzare il demand’ ad alte prestazioni. Le aziende PRODUZIONE PRODOTTI comportamento dei modelli in contesti più che ne hanno necessità possono esternaliz- realistici. zare il calcolo tecnico-scientifico legato al-6 7
  6. 6. MODELLIZZAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE D I G I T A L E consumi contenuti alla compatibilità eco- VISUALIZZAZIONE Il teatro virtuale permette la visualizzazio- logica, etc. GRAFICA/SCIENTIFICA ne di dati e modelli complessi mediante Per questo l’engineering e la fase di ricerca e tecniche di realtà virtuale che consentono sviluppo diventano ancora più di importanza Le ingenti quantità di dati testuali prodotte una visualizzazione immersiva dei dati fondamentale e il calcolo scientifico ed inge- dalle simulazioni numeriche richiedono te- con una notevole impressione di realtà. È gneristico assume un ruolo sempre più rile- cniche e strumenti di visualizzazione che ne possibile, infatti, percepire le dimensioni vante nella progettazione e simulazione di consentano un’analisi ed un’interpretazione reali di un oggetto, l’effetto visivo di un prodotti e processi e nella gestione informati- rapida ed efficace. Un’immagine, infatti, è in materiale ed è possibile valutare soluzioni I N N O V A Z I O N EI N N O V A Z I O N E ca del complesso dei dati generati durante l’i- grado di veicolare in modo più semplice ed diverse in tempo reale. All’interno di un ter di sviluppo dei prodotti industriali. immediato il risultato di una simulazione ri- teatro virtuale si può riunire un intero Rispetto alle risorse tradizionali, gli elabo- spetto ad un tabulato numerico. team di progettazione per analizzare gli ratori per il calcolo ad alte prestazioni for- È stata già accumulata una lunga esperienza effetti delle diverse scelte tecnologiche e niscono i seguenti vantaggi: nel campo della visualizzazione a supporto di design. della ricerca e sviluppo e si è in grado di uti- Quando è necessario riunire un gruppo di Ridurre il tempo di sviluppo del prodotto. lizzare tecnologie di visualizzazione avan- lavoro distribuito sul territorio può essere la modellizzazione ed alla prototipazione La progettazione in ambiente virtuale ren- zate per la soluzione di problemi complessi. conveniente o necessario ricorrere a stru- dei prodotti, secondo le proprie esigenze de possibile valutare rapidamente un nu- Esistono organizzazioni che hanno tali stru- menti di lavoro collaborativi che consento- di carichi anche di picco. Possono così ef- mero elevato di alternative e le verifiche menti, da utilizzare anche in remoto. In tal no ad utenti remoti di vedersi, dialogare e fettuare quelle simulazioni che non avreb- nel medesimo ambiente consentono di ri- caso i dati prodotti dalle simulazioni ven- visualizzare gli stessi dati. A tale scopo so- bero potuto sostenere ‘in casa’, sia per ca- durre il numero dei prototipi ed il tempo di gono trasferiti via rete nella sede dell’uten- no disponibili soluzioni per la visualizza- renza di risorse di calcolo adeguate, sia per sperimentazione. te che li visualizza sulla sua piattaforma di zione integrata con la videoconferenza, mancanza di licenze dei prodotti software Ridurre i costi del prodotto. risorse. dando la possibilità agli interlocutori di ve- necessari alle elaborazioni e simulazioni. Il minor tempo impiegato nelle attività di Si parla di teatro virtuale e di strumenti per dersi e parlarsi mentre visualizzano le in- progettazione e verifica e l’ottimizzazione il lavoro collaborativo. formazioni sullo schermo. I SERVIZI DI CALCOLO TECNICO nell’utilizzo di materiali e tecnologie con- VANTAGGI PER LE AZIENDE-UTENTI: E DI SIMULAZIONE NUMERICA trae i costi complessivi di sviluppo e pro-D I G I T A L E COME LEVA PER AUMENTARE duzione. - poter accedere a software di simulazione estremamente sofisticati; LA COMPETITIVITÀ Aumentare la qualità dei prodotti. - investimenti limitati al pagamento di una quota proporzionale all’entità dell’utilizzo del software; DELLE AZIENDE INDUSTRIALI L’affidabilità delle verifiche di prodotto e di - utilizzo di interfacce semplici, progettate espressamente per utilizzatori orientati all’applicazione; processo effettuabili con la simulazione nu- - per le industrie che non svolgono attività di supercalcolo al proprio interno, opportunità di avvalersi di qualificati servizi Il mercato attuale richiede rapidità nello merica permette di raggiungere livelli cre- di simulazione numerica senza la necessità di acquistare calcolatori dedicati, evitando anche tutte le problematiche sviluppo e consegna di prodotto. Inoltre al scenti di qualità e di utilizzare in modo più correlate: forte investimento iniziale, necessità di personale competente, gestione del sistema, installazione dei prodotti; prodotto stesso vengono richiesti una serie razionale i materiali, di stimare il ciclo di - per le industrie che svolgono attività di calcolo tecnico al proprio interno: di requisiti ulteriori ed accessori rispetto al- vita dei prodotti, la loro resistenza nell’u- - velocità ed efficienza della rete e riservatezza dei dati trattati; la funzionalità principale: dalla fruibilità al so, l’impatto conseguente in caso di mal- - possibilità di avvalersi di competenze scientifiche e tecnologiche di alto livello. comfort, dalla riciclabilità al design, dai funzionamenti o rotture.8 9
  7. 7. MODELLIZZAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE D I G I T A L E • soddisfare solo dei carichi di picco per ba adeguare il proprio sistema di calco- FIGURA 3 - FLUSSO DI PROGETTAZIONE CON MODELLIZZAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALI elaborazioni/applicazioni mediamente lo alla elevata potenza richiesta; meno complesse; • fornire la tecnologia necessaria per la co- FASI DI PROGETTAZIONE ARCHIVI - ideazione modelli di parti e assiemi DI DATI • effettuare attività di porting e paralleliz- struzione di ambienti di calcolo distribui- - calcoli ‘ingegneristici’ (fisico, matematici, chimici, ecc…) SPERIMENTALI - disegno/grafica zazione di codici proprietari nel conte- ti (GRID), che abilitino l’integrazione e dati di calcolo sto di progetti industriali; la collaborazione fra gruppi di lavoro re- • mettere a disposizione, come servizi moti (organizzazioni virtuali) per la rea- PACKAGE DI MODELLIZZAZIONE web, prodotti software per la simulazio- lizzazione di progetti, sessioni di lavoro I N N O V A Z I O N E E VISUALIZZAZIONEI N N O V A Z I O N E SUPPORTO COMPUTERS ne senza che l’azienda utilizzatrice deb- cooperativo, seminari, corsi, convegni. PRE-PROCESSORE micro-suddivisione e preparazio- CAD 2/3D CAE ne Modello geometrie, forme schemi, ecc... SOLUTORE elaborazione calcoli sollecitazioni Supporto supercomputers (calcoli in parallelo) POST-PROCESSORE reports esiti sollecitazioni e visualizzazione a monitor anche/oppure Package di modellizzazione Struttura di Teatro virtuale e visualizzazione “virtuale”, a teatro SERVIZI DI ELABORAZIONI AD ALTE PRESTAZIONI DISPONIBILI PER LE AZIENDE Presso strutture opportunamente costituite può essere predisposto l’utilizzo di elabo-D I G I T A L E SERVIZI DI VISUALIZZAZIONE SCIENTIFICA E GRAFICA 3D ratori di supercalcolo per: • rispondere alla domanda completa di Per diversi ambiti applicativi, dalla industria alla fisica, chimica, astronomia, dalla medicina ai beni culturali, ecc. viene “computing power” fornendo alle indu- realizzato e messo a disposizione di progettisti e ricercatori un Teatro Virtuale che consente la visualizzazione di dati e strie la capacità di calcolo di cui hanno modelli complessi mediante tecniche di realtà virtuale. bisogno, gestendo attività in outsourcing Ciò è reso possibile utilizzando strumenti che consentono l interazione con i dati ed anche possibilmente con la gestio- dei servizi di calcolo avanzato e ren- ne di una Biblioteca di software per il calcolo tecnico (computer aided engineering,…), il calcolo scientifico (bioinfor- dendone possibile l’utilizzo da remoto; matica, chimica, fisica,…), la gestione di librerie (matematica, calcolo parallelo, chimica, fisica, debugging e profiling) • offrire servizi di calcolo “on demand”, e le visualizzazioni (analisi dei dati, grafica, grafica 3D, grafica molecolare, modellizzazione, image processing, naviga- nei periodi di fabbisogno e per specifi- zione di modelli virtuali). che e complesse elaborazioni;10 11
  8. 8. MODELLIZZAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE D I G I T A L E ESEMPI DI SOLUZIONI E SERVIZI UTILIZZABILI SERVIZI DI ATTIVITÀ DI SUPERCALCOLO E DI SUPPORTO SPECIALISTICO 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. I N N O V A Z I O N E Il servizio consente di attingere a personale specializzato per l’ottimizzazione e l’ingegnerizzazione di codici proprietari delI N N O V A Z I O N E cliente o per lo sviluppo di nuovi codici o interfacce di visualizzazione. SERVIZIO DI “BIBLIOTECA SOFTWARE O PROGRAMMOTECA” Può consentire alla PMI luso di strumenti avanzati di calcolo senza unestensione delle proprie risorse di hardware e software e con un investimento minore. Simulazione di una eruzione del Vesuvio Campi Applicativi principali: Calcolo strutturale, computazione fluidodinamica, chimica computazionale, ecc. Clienti: Aziende, soprattutto PMI (settore meccanico, petrolifero, chimico farmaceutico, ecc….). MODELLIZZAZIONE le strettamente tecnologiche a quelle ergo- SERVIZI DI VISUALIZZAZIONE DATI E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE - nomiche, dalla sicurezza all’estetica. VERSO UNA PROGETTAZIONE Sempre più aziende si accostano ed in- Permettono di gestire e tradurre in immagini una mole di dati ottenuta dalla simulazione numerica. Le immagini veicolano SEMPRE PIÙ EFFICACE vestono quindi sulla modellizzazione 3D in modo immediato l’interpretazione dei dati e supportano il processo decisionale. Il cliente può visualizzare in remoto i ri- dei prodotti e sull’analisi delle caratteri- sultati della simulazione sul suo desktop, con il proprio strumento di visualizzazione e senza trasferire i dati. Il successo di nuovi prodotti è uno dei fat- stiche meccaniche, aerodinamiche, flui- Campi Applicativi: supporto alla progettazione industriale, simulazioni di ingegneria, simulazioni scientifiche (cosmologiche, tori chiave per acquisire nuove quote di dodinamiche, termodinamiche, acusti- vulcanologiche, meteorologiche, ecc.), pianificazione di interventi chirurgici, rappresentazioni del territorio, ecc. mercato e per rimanere competitivi sul pro- che dei modelli mediante tecniche agli Tipi di Clienti: Industrie, Enti Pubblici, Sanità, ecc. prio mercato. Tutte le aziende che operano elementi finiti (FEM); utilizzano ambien- nel manufacturing investono in innovazio- ti di realtà virtuale per avere una rappre-D I G I T A L E TEATRO VIRTUALE ne di prodotto e la progettazione è uno dei sentazione in scala reale dei modelli e Tecnologia per la visualizzazione tridimensionale per il design in scala reale e la prototipazione virtuale. La compresenza fattori chiave di successo. valutare meglio gli aspetti ergonomici ed dell’ambiente di simulazione e visualizzazione fa sì che i risultati della simulazione possano essere resi direttamente nel- La progettazione diventa così un’attività estetici legati ad esempio alla resa dei l’ambiente virtuale. È possibile utilizzare lo schermo retroproiettato per il design in scala reale di prodotti e manufatti oltre complessa che necessita di strumenti e te- materiali. che del modello CAD e del modello FEM. cnologie che possano aiutare chi deve stu- Campi Applicativi/Clienti: diare un nuovo veicolo o un componente supporto alla progettazione industriale, simulazioni di ingegneria, simulazioni scientifiche (cosmologiche, vulcanologiche, di esso, un nuovo elettrodomestico, lo sca- QUALI BENEFICI PER L’AZIENDA? meteorologiche, ecc.), pianificazione di interventi chirurgici, rappresentazioni del territorio, ecc. fo di una nave, l’ala di un aereo, l’arreda- Tipi di Clienti: Industrie; Enti Pubblici; Sanità; ecc. mento di un locale, al fine di poter tener Un’attività di progettazione completa che conto di tutte le variabili in gioco da quel- tenga conto di tutte le variabili in gioco per12 13
  9. 9. MODELLIZZAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE D I G I T A L E il successo del prodotto è un fattore chiave per il successo commerciale del prodotto stesso. 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 un I N N O V A Z I O N EI N N O V A Z I O N E miglioramento 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. TIPOLOGIA DI COSTI LEGATI ALL’ADOZIONE DI STRUMENTI DI MODELLIZZAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE Nelle aziende che hanno adottato tecniche di modellizzazione e prototipazione virtua- La dotazione delle serie di prodotti CAD/CAE per la realizzazione e l’analisi dei modelli 3D e l’acquisizione delle risorse le c’è stata una sensibile riduzione dei co- di calcolo necessarie sono sicuramente le due voci di costo più significative, cui fanno seguito l’acquisizione delle compe- sti legati alla realizzazione di prototipi fisi- tenze necessarie per condurre le analisi. ci ed in alcuni casi si procede alla certifi- Per far uso di strumenti di realtà virtuale occorre dotarsi di un sistema di proiezione adeguato e di applicativi che con- cazione dei prodotti direttamente a partire sentono di visualizzare modelli 3D. dal modello e non sulla base di un prototi-D I G I T A L E Molte grandi aziende sostengono i costi di acquisizione degli strumenti; le piccole e medie aziende hanno maggiori diffi- po. I tempi e i costi di realizzazione del coltà, poichè il carico di lavoro potrebbe non giustificare un investimento importante. modello virtuale sono spesso di molto infe- Queste realtà possono però beneficiarne dall’utilizzo di centri di servizi che possono fornire loro gli strumenti necessari riori alla realizzazione di prototipi fisici, on-demand. anche se questo dato varia da settore a set- Infatti alcune applicazioni software per l’analisi FEM sono adeguate per molti tipi di simulazioni, altre sono più specifi- tore. Analizzando il modello virtuale e il che e dedicate solo a particolari tipi. Spesso le aziende sono dotate solo di quelle di uso più comune, rinunciando a con- suo comportamento a priori è possibile ot- durre le simulazioni che richiederebbero l’uso di codici più specifici. Anche in questo caso un centro servizi dotato di timizzare l’impiego dei materiali e quindi un’ampia gamma di pacchetti software utilizzabili on-demand rappresenta un grosso vantaggio per chi non desidera ridurre i costi di produzione, considerando compiere grossi investimenti iniziali. sempre che anche l’entità di questo dato varia da settore a settore.14 15
  10. 10. MODELLIZZAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE D I G I T A L E ORDINI DI GRANDEZZA DI COSTI DELLE APPLICAZIONI Le risorse di calcolo sono costose per l’a- CONCLUSIONI zienda sia in fase di acquisto che di gestio- Utilizzo in esclusiva Utilizzo ‘on demand’ ne e sono dimensionate sui carichi di lavo- La modellizzazione e la prototipazione vir- Packages di Programmoteca ro medi, rendendo difficile, se non impos- tuale sono strumenti che stanno penetran- Licenze Il costo della licenza è interamente Il costo di utilizzo della licenza è in sibile, la gestione di carichi di lavoro di pic- do sempre più nelle imprese del settore ma- a carico del cliente. Per utilizzo dei % funzione del tempo di uso del ser- co o limitando le possibilità di analisi alla nifatturiero per aumentare la competitività codici in parallelo su 16 processori il vizio. disponibilità di risorse limitate. e favorire l’innovazione. Le grandi aziende costo è di qualche decina di migliaia È nato quindi il concetto di calcolo on-de- hanno dei carichi di produzione che giu- I N N O V A Z I O N E di €/anno, e varia a seconda deiI N N O V A Z I O N E mand che consente alle aziende di ester- stificano gli investimenti ed i costi per prodotti che si usano. nalizzare il calcolo tecnico-scientifico le- acquisire la strumentazione necessaria. Altri prodotti hanno un costo di acquisto gato alla modellizzazione e alla prototipa- Le piccole e medie aziende possono avva- che va a sommarsi alla manutenzione zione dei prodotti secondo le sue esigenze, lersi di centri di servizi che offrono stru- annuale. servendo carichi di picco, consentendo di menti per la modellizzazione e la prototi- condurre simulazioni che non potrebbe pazione virtuale on-demand. Tempo di supercalcolo Il costo unitario è di qualche €/ora Idem ad ‘esclusiva’ condurre in casa o per mancanza di risor- Tutte le imprese possono infine avvalersi di a processore e varia in funzione dei se di calcolo o per mancanza di licenze dei centri che offrono servizi di calcolo on-de- volumi di utilizzo. prodotti SW necessari alla simulazione. mand per servire i carichi di picco o ester- Viene calcolato e utilizzato libera- mente su base annua. QUALI BENEFICI IL CALCOLO ON-DEMAND INTRODUCE IN AZIENDA Teatro virtuale I sistemi di calcolo ad alte prestazioni sono generalmente utilizzati per abilitare le attività di modellizzazione e prototi- Licenze Nessun costo aggiuntivo se viene uti- Per l’uso di ulteriori packages di vi- pazione virtuale. lizzato lo stesso post-processor del sualizzazione 3D il costo di utilizzo Le aziende dotate di una struttura IT al loro interno hanno spesso delle risorse dedicate al calcolo tecnico scientifico per packages di modellizzazione. Per della licenza è in % funzione del le attività di modellizzazione. Le risorse di calcolo dedicate a queste attività hanno un ciclo tecnologico breve e sono di l’uso di ulteriori packages di visua- tempo di uso del servizio. norma adeguate al livello medio di quelle che sono le necessità medie della produzione. lizzazione 3D il costo della licenza è In presenza di carichi di lavoro di picco le risorse possono mostrarsi inadeguate o possono limitare le possibilità di analizzare mo- interamente a carico del cliente.D I G I T A L E delli complessi o ridurre i tempi di simulazione. In tutte queste situazioni risulta particolarmente utile ricorrere a risorse di calcolo Tempo di utilizzo del teatro Il costo è calcolato a giornata ed è di Idem ad ‘esclusiva’ on-demand per rispondere a carichi di picco o abilitare la possibilità di ridurre i tempi di simulazione e rendere possibile l’analisi qualche centinaia di €. di modelli complessi o effettuare analisi stocastiche sulle variabili dei modelli per avere risultati maggiormente attendibili. I vantaggi del calcolo on-demand sono numerosi: Supporto specialistico Il costo è calcolato su base giornalie- Idem ad ‘esclusiva’ • disponibilità di una risorsa di calcolo virtualmente illimitata; ra per tipo di supporto. • 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. Le tecnologie di calcolo ad alte prestazioni delli complessi in tempi brevi e rendendo- Alcune aziende che hanno un dipartimento IT al loro interno particolarmente snello stanno considerando di esternalizza- sono di supporto alla prototipazione virtua- ne possibile la loro visualizzazione in am- re completamente il calcolo tecnico scientifico affidandolo a centri di calcolo esterni. le, abilitando la possibilità di studiare mo- bienti di realtà virtuale.16 17
  11. 11. MODELLIZZAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE D I G I T A L E nalizzare completamente il calcolo tecni- Le aziende italiane ed europee hanno com- sferimento tecnologico per il calcolo e le Riportiamo qui di seguito alcune delle co scientifico. Per sostenere la concorren- piuto un notevole salto di qualità con l’in- reti ad alte prestazioni della Commissione casistiche più significative di applicazio- za ed affrontare la sfida del mercato globa- troduzione della tecnologia del calcolo ad Europea (HPCN) e messa a disposizione di ni di supercalcolo per progettazioni, si- le, le industrie percorrono sempre più rapi- alte prestazioni nei processi produttivi. sistemi di operatori dei settori manifatturie- mulazioni, prototipazioni e visualizza- damente la strada dell’innovazione. È stata realizzata una rete di centri di tra- ro e dei servizi. zioni virtuali. ALCUNE APPLICAZIONI PER SETTORE I N N O V A Z I O N EI N N O V A Z I O N E Nel settore dei MATERIALI PLASTICI le applicazioni sviluppate di- industriali, nel disegno del prototipo o nell’ottimizzazione di un solidato sul mercato. Questo è stato per esempio il caso dello svi- • Progetto DESIREE: sviluppo di un sistema di supporto alle deci- mostrano che è possibile simulare il soffiaggio della plastica al prodotto esistente. luppo di un nuovo lettore di codici a barre bidimensionali (BBC), sioni. computer per ottimizzare la produzione di stampi, così come sono • Progetto FLUSI: progettazione di un atomizzatore per l’azienda dove questa tecnologia ha reso possibile l’elaborazione dell’im- Per aiutare la definizione della strategia più appropriata in caso stati evidenziati grandi vantaggi derivanti dall’adozione di un si- SACMI (industria della Ceramica) mediante l’utilizzo di tecniche magine in tempo reale. di un evento alluvionale catastrofico. stema automatico di controllo visuale della qualità del prodotto fi- numeriche per l’analisi fluidodinamica dei flussi di particelle al- nale che sfrutti le potenzialità del calcolo ad alte prestazioni. l’interno dell’atomizzatore. Nell’INDUSTRIA BIOTECNOLOGICA lo scopo della simulazione è Anche nel MONDO FINANZIARIO, l’introduzione di tale tecnologia • Progetto SIMPLAST: simulazione migliorata del processo di sof- • Progetto POPCORN: utilizzo di tecniche di simulazione e model- quello di permettere un risparmio in termini di tempo e di inve- può risultare strategica. fiaggio per l’industria della plastica. Fase di design avanzata ri- listica numerica nella progettazione di forni a microonde. Per in- stimento economico nella realizzazione di prodotti personaliz- Per esempio, nel far diventare uno strumento di supporto effica- programmata per un uso migliore dei nuovi materiali come il po- vestigare il comportamento elettromagnetico della struttura del zati sulle necessità del cliente, dove l’unicità del pezzo prodotto ce, affidabile ed anche economico la simulazione per le decisioni lipropilene: -60% in costi di prototipazione, -15% in tempo di pro- forno in termini di uniformità del campo, in relazione sia alla con- renderebbe estremamente oneroso un approccio di tipo tradi- del management nel campo dell’analisi di bilancio. Oppure per gettazione, -20% in time to market. figurazione di eccitazione che alle proprietà del carico. Sviluppo di zionale. migliorare significativamente le prestazioni di strumenti per l’a- • Progetto EXAMINA: controllo di qualità non invasivo durante la un nuovo forno a microonde, con caratteristiche migliorate grazie • Progetto DRUG: lo studio di nuovi farmaci può trovare una spin- nalisi visuale dei dati da applicarsi al ‘data mining’ nel campo del produzione di bottiglie in plastica. Fino a 10,000 pezzi/ora con- ai risultati ottenuti dalla simulazione; è già stato sviluppato e in- ta notevole dall’impiego della simulazione nella fase iniziale di marketing finanziario. trollati in tempo reale; -10% in meno di scarti, riduzione dei costi trodotto nel mercato. I risparmi nel processo di sviluppo sono sta- progetto (approccio CADD - Computer Assisted Drug Design). Da- • Progetto MARKETMINE: disegno di un database dei clienti ban- dell’8-12%. ti: riduzione in tempo di sviluppo del 30%, riduzione dei costi cor- ta la complessità dei calcoli coinvolti l’utilizzo di supercalcolo si cari. Tecniche di data mining e strumenti per la visualizzazione • Progetto QUAC: sistemi di controllo della qualità della grafica relati del 35%, riduzione drastica del time-to-market. rende necessario e apre notevoli prospettive per le case farma- dei dati combinati. Un nuovo approccio centrato sul cliente nel nella produzione di carte stampate. Un brevetto registrato, un si- • Progetto MYSHANET: simulazione parametrica a molti corpi per ceutiche coinvolte. marketing finanziario.D I G I T A L E stema adattato per analizzare le decorazioni delle piastrelle cera- il supporto alla progettazione di nuove sospensioni per veicoli a Nuovi farmaci scoperti grazie al Computer Assisted Drug Design. • Progetto PALMA (Parallel asset liability management). Simula- miche, un ampio mercato potenziale. due ruote. Riduzione del 30% del time to market per la progetta- Fondato un laboratorio che utilizza tecniche HPC per la modelliz- zione stocastica di Asset & Liability (Risks Management Group, Uni- • Progetto VIPLAST: un sistema di ispezione visuale per la produ- zione di ammortizzatori. zazione molecolare. Credito Italiano). PALMA è un simulatore stocastico di profitti e per- zione di gocciolatoi e tubi per l’irrigazione. Riduzione dell’80% • Progetto VROOM: sviluppo di un sistema a microcontrollore per dite di fogli di bilancio. La simulazione probabilistica è ottenuta at- dei costi globali dovuti a cattiva qualità. Una campagna Zero-Di- migliorare il controllo delle emissioni dei gas di scarico in un mo- Nel settore della PROTEZIONE AMBIENTALE si incontrano proble- traverso il metodo Montecarlo, generando a caso migliaia di sce- fetti migliora l’affidabilità dell’azienda. tore ad alte prestazioni. mi molto complessi. Come, ad esempio, lo studio della contami- nari economici e valutando l’impatto di ognuno di loro sul foglio di nazione del terreno dovuta ai residui dei pesticidi. Questo feno- bilancio e P&L. Taglio netto dei costi di apprendimento, implemen- Nel DESIGN INDUSTRIALE grandi vantaggi in termini di tempo e Nell’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE, il calcolo ad alte prestazioni ha meno è caratterizzato dall’elaborazione di enormi quantità di da- tazione e mantenimento. Permette una velocizzazione di cinque di soldi investiti possono derivare dall’impiego di simulazioni, ca- offerto un potente strumento per realizzare lo sviluppo, verso so- ti e in questi casi l’approccio supercalcolo può rivelarsi fondamen- ordini di grandezza rispetto ai sistemi esistenti, fornendo 40000 ratterizzate da un tempo di calcolo compatibile con le necessità luzioni innovative, di prodotti che erano già presenti in modo con- tale per rendere maneggevoli le simulazioni. previsioni di fogli di bilancio e P&L a 5 anni in meno di 30 minuti.18 19
  12. 12. ESEMPIO PRATICO: STUDIO PER L’ACCOPPIAMENTO DI RUOTE DENTATEI N N O V A Z I O N E MESH L’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 DENTI È un‘immagine che serve a fare vedere meglio la mesh nei denti delle ruote dentate. TENSIONI Immagine 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 dentiD I G I T A L E (zone rosso/gialle) FORZE DI CONTATTO Immagine delle forze di contatto che si scambiano i due denti. Il vettore è tanto più grande quanto maggiore è la forza di contatto.20

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