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Come cambia la relazione tra progettazione e produzione

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I sistemi di produzione si inergrano sempre di più con la produzione

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Come cambia la relazione tra progettazione e produzione

  1. 1. Il fenomeno che caratterizza maggior- mente il concetto di Industria 4.0 è l’integrazione tra mondo virtuale dei bit e mondo reale delle macchine,che permette di realizzare oggetti,macchi- ne, processi e sistemi intelligenti. La disponibilità di software di progetta- zione evoluto (computational design), di nuovi processi di produzione (mani- fattura additiva e ibrida) e nuovi ma- teriali (fibre di carbonio, compositi e super-polimeri), consente di integrare e ottimizzare i processi di progetta- zione e di produzione con modalità impensabili fino a qualche anno fa. Software di progettazione tradizionale La progettazione assistita dall’elabora- tore (CAD) supporta dagli Anni ’70 l’attività di progettazione di manufatti, sia virtuali che reali, attraverso l’utiliz- zo della computer grafica, di potenti programmi di calcolo strutturale e di simulazione (prototipazione digitale). Nell’ultimo decennio,il ciclo di sviluppo dei prodotti è cambiato notevolmen- te.Tradizionalmente, la maggior parte dei processi iterativi di ottimizzazione dei progetti aveva luogo nella fase di prototipazione, mediante produzione, prove e analisi di prototipi fisici, che richiedevano notevoli tempi e costi. I moderni cicli di sviluppo sono diventati così compressi che non permettono più di realizzare un completo processo di prototipazione di tipo tradizionale e hanno aumentato l’importanza dei processi di verifica e validazione, sup- portati dai software CAE (Computer Aided Engineering), che aiutano i pro- gettisti a comprendere il comporta- mento dei prodotti e a risolvere po- tenziali vulnerabilità in anticipo e con costi minori. La verifica assicura che il progetto sod- disfi le specifiche,mentre la validazione si accerta se il prodotto si comporta nel modo corretto ed eventualmen- te indica come modificare il progetto per evitare richiami di prodotti, costi di manutenzione in garanzia e scar- sa soddisfazione dei clienti. I moderni programmi di prototipazione digitale possono arrivare fino alla creazione di mondi virtuali che consentono di ve- dere e di‘provare’ in contesti realistici i prodotti prima ancora di costruire i prototipi (es. simulatori di guida e di macchine). La progettazione integrata è resa possibile dall’integrazione dei sistemi CAD/CAE e CAM (Computer-Aided Manufacturing) per la fabbricazione as- sistita dal computer.In fabbrica,queste tecnologie gestiscono macchine uten- sili, stampanti 3D e robot, controllano e ottimizzano i processi, effettuano si- mulazioni e riducono il‘time to market’ dei nuovi prodotti. I principali produttori delle piattaforme CAD/CAE tradizionali sono Autodesk (AutoCAD e Inventor),Dassault (Catia e SolidWorks), McNeel (Rhino), PTC (Creo) e Siemens (NX, SolidEdge). Sono anche disponibili CAD freeware e open source (LibreCAD, FreeCAD, OpenSCAD, SketchUp). Nuovi strumenti e metodi di progettazione Ai tradizionali software di progetta- zione si sono affiancate alcuni nuovi strumenti come il Design Generativo e l’ottimizzazione strutturale e topolo- gica.Il Design Generativo è un proces- so di progettazione ‘per tentativi’ che imita il processo di evoluzione della natura. Si inseriscono gli obiettivi della progettazione in un sistema generativo - un sistema esperto spesso funzionan- te in cloud basato su un modellatore algoritmico e parametrico - che pro- pone moltissime soluzioni alternative e consente al progettista di trovare la migliore soluzione in modo interat- tivo per approssimazioni successive. Questa nuova disciplina fu introdotta alla fine degli Anni ’80 da Celestino Soddu, docente del Politecnico di Mi- lano, che implementò e sperimentò il software generativo Argenia in grado di generare modelli tridimensionali di intere città e fondò il ‘Laboratorio di Progettazione Generativa’ del Politec- nico di Milano che si occupa di pro- gettazione tecnica e di produzione artistica (Generative Art). I programmi di ottimizzazione strut- turale/topologica e di prototipazione digitale consentono di ottimizzare gli COME CAMBIA LA RELAZIONE TRA PROGETTAZIONE E PRODUZIONE 90 maggio 2017 Giancarlo Magnaghi Consulente g.magnaghi@studiomagnaghi.it INDUSTRIA 4.0
  2. 2. oggetti in funzione dell’uso a cui sono destinati: il materiale viene utilizzato solo dove serve e possono anche es- sere scelti i materiali più adatti in fun- zione delle richieste dei progettisti per trovare il migliore compromesso tra peso, robustezza e costo. Esempi di prodotti di nuova generazio- ne sono Dreamcatcher, Fusion 360 e Within di Autodesk (che sta investen- do da alcuni anni nel design generativo e nella stampa 3D per produrre oggetti finiti ottimizzati), solidThinking Inspi- re di Altair Engineering, ProjectWise di Bentley, le piattaforma operativa Predix di GE, NX di Siemens, Gene- rate di Frustum e modeFrontier della triestina Esteco. Questi nuovi strumenti possono mi- gliorare la qualità del progetto, l’effi- cienza e le prestazioni a qualsiasi livello e in qualsiasi settore: edifici, aerei, pro- tesi mediche,arredamento,arte,design e oggetti di uso comune. Per esempio, Illy e Alessi hanno realizzato in colla- borazione con il designer Michele de Lucchi la caffettiera moka Pulcina con l’aiuto del software modeFrontier, che ha generato molte varianti progettua- li da cui sono partiti i progettisti per realizzare il prodotto finale. Integrazione tra progettazione e produzione I maggiori produttori di software in- dustriale si stanno muovendo verso l’integrazione di progettazione e pro- duzione tramite sistemi PLM (Product Lifecycle Management ) in grado di gestire tutto il ciclo di vita dei pro- dotti sempre più potenti e di sfruttare le nuove tecnologie produttive. Per esempio, grazie all’integrazione con la tecnologia di stampa 3D di Mate- rialise, Siemens abiliterà processi di fabbricazione additiva utilizzando sof- tware NX con funzioni CAD/CAE/ CAM per ottimizzare l’intero ciclo di sviluppo dalla progettazione alla pro- duzione,riducendo fino al 30% il time- to-market. Siemens collabora anche con Stratasys e con HP nell’ambito della tecnologia di stampa 3D Multi Jet Fusion per l’industrializzazione del processo additivo, con l’obiettivo di stampare in 3D parti funzionali com- poste da diversi materiali e in diversi colori, con velocità fino a dieci volte superiori e costi dimezzati rispetto agli attuali sistemi. Le piattaforme avanzate CAD/CAE/ CAM, unitamente alle nuove tecno- logie produttive e ai nuovi materia- li offrono agli ingegneri libertà nella progettazione, possibilità di persona- lizzazione, velocità senza precedenti, e permettono di realizzare prodotti con prestazioni migliori,più economici, robusti e leggeri, che consentono di migliorare anche l’efficienza energetica, la tutela ambientale e di progettare e produrre nell’ottica dell’economia cir- colare.I programmi CAEA (Computer Aided Eco-Auditing) consentono la valutazione dell’impatto ambientale dei prodotti e di supportare la lean production,per minimizzare gli sprechi produttivi, logistici e globali, suppor- tando processi di produzione sempre più perfezionati, automatici e in grado di auto-ottimizzarsi analizzando i risul- tati ottenuti e sperimentando nuove modalità operative (Autonomous Ma- nufacturing). Nuovi materiali e tecniche di assemblaggio I sistemi evoluti di progettazione e di produzione si avvalgono di nuovi materiali con elevate caratteristiche, come i materiali compositi FRP (Fiber Reinforced Polymer) e MMC (Metal Matrix Composite),i materiali cellulari (honeycomb, schiume metalliche) e sandwich, i compositi multifunzionali e i materiali‘smart’. Con la stampa 3D si riduce il peso mantenendo rigidità e robustezza creando una struttura interna a nido d’ape (honeycomb), o utilizzando super-polimeri e compositi più leggeri (Kevlar, fibra di vetro o di carbonio) in alternativa ad alcuni me- talli,con riduzione dei pesi del 20-40%. Sono stati sviluppati nuovi collanti e nuove tecniche di saldatura per unire materiali ‘insaldabili’, come alluminio con alluminio o con acciaio, che per- mettono di evitare bulloni e rivetti. Ridurre il peso a parità di proprietà meccaniche e fisiche produce bene- fici in molti campi, dall’aerospaziale alle automobili alle strutture di pon- ti e macchinari, poiché permette di risparmiare materie prime, migliora l’efficienza energetica, riduce il con- sumo di carburanti e quindi l’inquina- mento, diminuisce i costi di trasporto e montaggio. Per ogni chilo di mate- riale risparmiato in un aeromobile, si risparmiano ogni anno oltre 100 kg di carburante. Nelle automobili, una diminuzione del peso del 10% può diminuire i consumi del 3% e miglio- rare le prestazioni. Nel futuro saranno disponibili nuo- vi materiali e tecnologie emergenti, come le nanoparticelle di carbonio (nanotubi di carbonio e grafene) e la produzione additiva multi-materiale in cui gli ingegneri dei materiali saranno in grado di progettare le caratteristiche dei materiali digitali ottimizzati ad-hoc per i componenti da produrre con le stampanti 3D. 91maggio 2017 INDUSTRIA 4.0 La caffettiera moka Pulcina realizzata da Alessi e Illy in collaborazione con il designer Michele de Lucchi utilizzando un software progettazione generativa

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