MIRACOLO SIMULAZIONE (CAE)

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1 ICT Di Massimo Fucci MIRACOLO SIMULAZIONE (CAE) PRODOTTI PERFETTI In un mondo in cui i nuovi prodotti devono essere vincenti già al temine del primo ciclo di progettazione, le tecnologie e le applicazioni di simulazione (CAE) giocano un ruolo importante. Simulare i diversi aspetti d uso direttamente sul modello digitale (virtuale) dell oggetto e/o di sue parti, è oramai un passo fondamentale per la realizzazione di prodotti di successo. Un offerta ampia che si sviluppa tra novità tecnologiche e cultura aziendale conservativa. 14

2 CAE: miracolo simulazione T Tutti i mercati sono caratterizzati da un livello di competizione sempre più elevato, un habitat in cui le aziende manifatturiere devono adoperarsi affi n- ché il loro ciclo di sviluppo consenta la realizzazione di prodotti vincenti sin dal primo giro di progettazione. L identikit di un tale prodotto è ormai noto: deve possedere caratteristiche funzionali, estetiche e di costo in grado di soddisfare sia le aspettative del mercato a cui è rivolto, sia di salvaguardare adeguati margini al produttore. Da subito va quindi realizzato un prodotto zero difetti o near zero defect, come oramai si sente dichiarare in diverse realtà. Un obiettivo concreto che richiede un ciclo di sviluppo prodotto particolarmente effi cace a partire dalla determinazione delle caratteristiche del prodotto. Un tema ad appannaggio della struttura di marketing e vendita a cui deve però seguire una base di progettazione e simulazione virtuale molto accurata del prodotto, affi nché sia garantito il risultato fi nale. Ogni azienda, ormai, per le fasi di progettazione utilizza applicazioni software che si possono raccogliere sotto l acronimo: CAx (Computer Aided). Nello specifi co, con il termine CAD si identifi cano gli strumenti per la progettazione, mentre con il termini CAE (Computer Aided Engineering) ci si riferisce alle applicazioni che consentono la simulazione in merito a diverse discipline, di 15

3 ICT quanto viene progettato con il sistema CAD. Per incrementare i benefi ci, le due applicazioni devono essere operative in un ambiente fortemente integrato, in cui le conversioni tra vari formati, dovrebbero essere ridotte allo zero. Infatti, ogni passaggio allunga i tempi ed introduce inevitabilmente condizioni di errore. Ogni errore effettuato nelle fasi di progettazione e simulazione di un prodotto, va necessariamente risolto sul nascere. Altrimenti, intervenire in una fase avanzata, o - peggio - a prodotto consegnato, può avere un impatto sui costi che rischia di mettere in discussione buona parte dei margini previsti, oltre all innegabile danno di immagine legato al prodotto o addirittura al brand. L uso effi cace della simulazione digitale consente ai progettisti di comprendere, prevedere e migliorare la fruibilità dei prodotti direttamente in maniera virtuale. La simulazione consente di studiare diverse alternative di realizzazione e, pertanto, di ridurre i costi diretti associati ai prototipi fi sici. Un prodotto, quest ultimo, che tendenzialmente dovrebbe essere abbandonato. Una soluzione CAE completa deve consentire di approcciare fasi di simulazione, validazione e ottimizzazione di prodotti e strumenti di produzione. Un analisi dell offerta CAE nel mercato italiano, realizzata da Pentaconsulting ( mostra un percorso dell offerta in cui sono presenti tradizionali fornitori di soluzioni CAD affi ancati dai produttori di codici di calcolo e di moduli applicativi verticali. Lo studio ha evidenziato per il secondo anno una crescita a due cifre delle soluzioni CAE, sia in termini di soluzioni acquisite, sia in termini di servizi acquistati. Un mercato che ha ancora margini di crescita anche in virtù di una rimodulazione commerciale dell offerta che grazie alla presenza del cloud, comincia ad esprimere una posizione interessante. Storicamente, le soluzioni CAE sono state adottate dalle aziende del settore aeronautico e automobilistico e destinate a un uso da parte di esperti strutturisti ; nel tempo sono però diventate comuni ed accessibili ad aziende di tutte le dimensioni e anche a progettisti che non vantino un background specifi co nel calcolo ad elementi fi niti. La semplicità dell interfaccia delle applicazioni e il ridimensionamento dei costi fanno sì che queste soluzioni possano essere disponibili per un mercato più ampio ed eterogeneo. Un utilizzo effi cace di una soluzione CAE prevede che il progettista stesso sia in grado di padroneggiare di per sé, metodi e software per la simulazione. Solo ambienti molto strutturati, in cui è richiesta una validazione che parta dall uffi cio preposto, vede ancora la verifi ca da parte dell esperto specifi co. Il mercato offre una vasta gamma di soluzioni in grado di soddisfare le diverse esigenze di calcolo e simulazione necessarie alla realizzazione di prodotti: dall analisi meccanica di resistenza e sforzo, alla mappatura della distribuzione termica di una scheda e/o di un apparato per comprenderne gli ambiti di funzionamento, oppure alla verifi ca di cinematismi. Un area critica riguarda l atteggiamento culturale delle aziende verso la formazione in merito a nuovi strumenti. Ancora molte (troppe) aziende non pianifi cano correttamente l introduzione di nuovi strumenti e non programmano una corretta fase di for- Prisma TECH Punta verso la fabbrica 4.0 Digital prototyping e Industry 4.0. non sono solo slogan ma soluzioni ormai alla portata di tutte le aziende manifatturiere italiane. Si tratta di una strada obbligata per migliorare i processi, aumentare la qualità del prodotto e ridurre tempi e costi di industrializzazione e di produzione. 16 Per rimanere competitive, oggi le aziende hanno bisogno di adottare soluzioni software innovative per il miglioramento del processo di sviluppo prodotto, in modo da poter garantire dei ritorni economici e dei benefi ci misurabili nel breve periodo. Questa è la linea d azione adottata da Prisma TECH ( uno dei principali partner Europei di Autodesk ( per il mercato manifatturiero, ed il primo in Italia ad occuparsi della simulazione nei processi di stampaggio delle materie plastiche. I contenuti digitali 3D creati dalla progettazione - spiega Giuseppe Donanzan, Amministratore Delegato di Prisma TECH - offrono notevoli vantaggi attraverso la simulazione dei processi industriali, dall organizzazione dei layout produttivi secondo modelli di Lean Giuseppe Donanzan, Amministratore Delegato di Prisma TECH Production, alla simulazione dei processi nelle singole macchine di produzione. Inoltre, le metodologie del Digital Prototyping permettono di operare in un singolo modello digitale da utilizzare in ogni fase del processo di sviluppo o di ciclo di vita del prodotto. In questo

4 CAE: miracolo simulazione mazione e addestramento all uso, preferendo un autoistruzione mentre si opera sul pezzo. Anche il fornitore spesso non sfrutta appieno le potenzialità delle soluzioni CAE, in genere si tratta di rivenditori con buone competenze nella messa a regime di soluzioni CAD, ma nella maggior parte dei casi, non risultano adeguatamente preparati all implementazione di tutte le potenzialità delle applicazioni CAE. Diffi cilmente uno strutturista è presente tra i collaboratori del rivenditore. Il mercato vede la presenza di un offerta segmentabile in alcune categorie di operatori: gli editori di software che hanno un portfolio completo rivolto all intero ciclo di vita dei prodotti ( Autodesk, Dassault Systemes,PTC, Siemens PLM, ecc.) ; i produttori di software CAE a largo spettro,in grado di affrontare diversi domini, dotati di connettori specifi ci per i diversi sistemi CAD (Ansys, Comsol, MSC Software, SmartCAE, ecc.). A cui si aggiungono Operatori molto specialistici in grado di offrire una soluzione molto verticale in grado di risolvere uno o più problemi di un processo/disciplina. Di seguito una breve carrellata dell offerta. Autodesk mette a disposizione diverse applicazioni software di simulazione che spaziano in diversi domini: termo-fl uidodinamica, strutturale e stampaggio plastica. Tutte queste applicazioni modo si eliminano le tradizionali barriere esistenti tra i team di progettazione concettuale, ingegnerizzazione, produzione e vendite. Prisma TECH Customer s Meeting 16 Giugno - Chervò Golf San Vigilio - Pozzolengo La soluzione da noi proposta - spiega l Ing. Michele Segato - responsabile tecnico dei prodotti di simulazione, è basata sulla tecnologia Autodesk Simulation Moldflow, composta da una suite di moduli software per l ottimizzazione della progettazione del prodotto, dello stampo, e del processo di stampaggio dei componenti in materiale termoplastico e termoindurente. Più del 70% dei difetti di un componente in plastica nascono dalla progettazione. Ad esempio, avendo a disposizione una pressa virtuale si possono prevedere con accuratezza tutti i possibili difetti di un nuovo prodotto fi n dalle primissime fasi di progettazione. Simulando lo stampaggio ad iniezione sul modello CAD3D si possono prevedere differenti soluzioni progettuali (dello stampo, dei materiali, etc) in tempi rapidi e senza generare costi aggiuntivi. In questo modo si riduce il numero di stampi pilota e la fase di setup, riuscendo a rispettare i tempi di consegna sempre più stringenti. La simulazione Moldfl ow è una prassi consolidata da decenni per prevedere mancati riempimenti, linee di giunzione, intrappolamenti d aria, pressioni eccessive, segni di risucchio, fi no Prisma TECH organizza ogni anno un Customer s Meeting con tutti gli utenti di Autodesk Moldfl ow con la presenza dei responsabili Autodesk, con l obiettivo di assicurare un collegamento continuo tra la ricerca e sviluppo del software ed i Clienti costantemente impegnati all innovazione tecnologica a supporto della qualità totale del prodotto. Gli esperti del settore sono invitati alla conferenza che per il 2015 si svolgerà il 16 Giugno al Chervò Golf San Vigilio di Pozzolengo (BS). ad arrivare al ritiro del materiale e ad eventuali deformazioni. L Analisi o Simulazione di processo Autodesk Simulation Moldfl ow afferma Giorgio Luppi Responsabile Area Tecnica di Simon Plast Industries - viene eseguita allo scopo di individuare tutte le attività tecniche, meccaniche e i seguenti processi produttivi in collaborazione e in co-desing con clienti e fornitori, questa analisi/ simulazione ci consente di valutare l impatto di fattibilità, lo spessore delle pareti, il posizionamento dei punti di iniezione, materiale e geometria con analisi di laboratorio e l identifi cazione dei materiali idonei necessari all ottenimento del risultato richiesto. Particolare attenzione viene dedicata quando i clienti che si apprestano a sostituire il metallo con la plastica. Simon Plast Industries ( Costruzione Stampi, Stampaggio Materie Plastiche, Analisi con Autodesk Simulation Moldflow Autodesk Simulation Moldfl ow - conclude Donanzan - è diventato uno standard nei settori automotive, healthcare, white goods, consumer. Prisma TECH offre un servizio completo per l avviamento del sistema e garantisce al cliente una costante assistenza anche consulenziale grazie ad un team di tecnici dedicati esperti nei processi di stampaggio, ed in continuo contatto con le Università per tutte le novità tecnologiche emergenti in materia. 17

5 ICT - alcune frutto di acquisizioni - sono inserite nella suite Autodesk Simulation 360. Le aziende possono scegliere tra software sul proprio desktop: licenze fi siche, perpetue, fl ottanti o standalone. Nuova la strategia Autodesk annunciata all evento REAL2015 in cui il leitmotiv è Capture-Compute-Create. Un ambito in cui diversi utenti target (dai meccanici agli edili) possono trovare un percorso utile alla revisione dei processi lavorativi. Le soluzioni di MSC Software ( consentono analisi lineari e non-lineari a elementi fi niti, analisi acustica, interazione fl uido-struttura, multi-fi sica, ottimizzazione, fatica e durabilità, dinamica multi-body e simulazione di sistemi di controllo. Le soluzioni multidisciplinari di MSC permettono di eseguire analisi accoppiate come: dinamica dei sistemi-strutturale-controllistica, termica-meccanica, multi-fi sica, interazione fl uido-struttura, propagazione dei danneggiamenti. Grazie a MSC Nastran, l azienda è diventata un pioniere delle tecnologie per analizzare e prevedere sollecitazioni e deformazioni. COMSOL Multiphysics ( mette a disposizione un vero e proprio lab on desktop, con cui è possibile sia effettuare simulazioni che coinvolgono singole fi siche - come con uno strumento di simulazione tradizionale - sia combinare fi siche e applicazioni diverse. L architettura modulare di COMSOL Multiphysics permette la specializzazione delle sue capacità di modellazione mediante l implementazione di moduli dedicati a specifi che applicazioni, che spaziano in diversi domini. Infatti è possibile - combinando i vari moduli - effettuare analisi di tipo 18

6 CAE: miracolo simulazione termo-elettro-strutturale, ma anche termofl uidodinamico, acustico, chimico, termico, ecc. Dassault Systemes con SIMULIA mette a disposizione funzionalità per la simulazione realistica dei progetti all interno dell ambiente di progettazione CATIA. I progettisti possono così utilizzare l interfaccia a loro familiare di CATIA ed eseguire l analisi direttamente sul modello master di CATIA. Poiché non servono trasferimenti o conversioni delle geometrie, si evita qualsiasi problema di integrità dei dati. Il software sfrutta l architettura knowledgebased di CATIA, che facilita l ottimizzazione dei progetti in base alle specifi che di prestazione dei prodotti e ai risultati dell analisi. PTC con la soluzione CREO offre una vasta gamma di soluzioni CAE che consentono ai progettisti e agli analisti CAE di convalidare vari aspetti del prodotto utilizzando direttamente la geometria CAD 3D nella simulazione. Diversi i pacchetti disponibili: PTC Creo Simulation Extension, PTC Creo Advanced Simulation Extension, PTC Creo Tolerance Analysis Extension, PTC Creo Behavioral Modeling Extension, PTC Creo Mechanism Dynamics Extension, PTC Creo Manikin Analysis Extension, PTC Creo Spark Analysis Extension, PTC Creo Fatigue Advisor, PTC Creo Plastic Advisor. Siemens PLM Software ( propone un offerta CAD-CAE orientata verso la totale integrazione e la completa copertura delle possibili casistiche di simulazione: 19

7 ICT SmartCAE Migliorare il workflow grazie alla modellazione CAD-free L utilizzo dei software di analisi nello sviluppo del prodotto sta diventando una prassi consolidata nella maggior parte delle aziende manifatturiere. Nonostante gli sforzi effettuati dagli sviluppatori dei software commerciali per migliorare i propri strumenti, la maggior parte degli utilizzatori CAE identificano nel workflow di simulazione un collo di bottiglia. Proprio per risolvere questo problema, SmartCAE ( ha studiato una serie di soluzioni CAD-free. T ra i vari aspetti del flusso della simulazione (preprocessing, calcolo, postprocessing), la fase di creazione della mesh più adatta è quella che richiede ancora troppo tempo rispetto alle esigenze del progetto. Per ogni ciclo progettuale è necessario rigenerare la mesh del modello, un operazione che richiede l azione continuativa dell utente nella fase di modellazione. Questo aspetto, comune alla maggior parte delle soluzioni CAE, di fatto limita l innovazione del prodotto e rallenta il flusso della simulazione. La fase di modellazione afferma l Ing. Francesco Palloni, Business Development Manager di SmartCAE è proprio l area in cui il nostro DEP MeshWorks e il suo approccio CAD-Free possono Con MeshWorks è possibile aggiungere rinforzi su un componente senza passare dal CAD.

8 CAE: miracolo simulazione apportare un miglioramento sostanziale in termini di rapidità e innovazione. Rapidità in quanto, partendo da una mesh FEM o CFD esistente, DEP MeshWorks permette la modifi ca della forma del prodotto, mettendo l analista in grado di generare in pochi minuti un nuovo modello pronto per girare. Innovazione, poiché DEP MeshWorks permette la parametrizzazione geometrica del modello CAE, consentendo la modifi ca di dettagli geometrici quali, spessori, raccordi, forma dei collegamenti. Inoltre è possibile spostare, rimuovere o aggiungere rinforzi locali sia su mesh di superfi cie che di volume, attraverso funzionalità uniche quali le operazioni booleane su volumi di elementi Tetraedrici. Le aziende che utilizzano DEP MeshWorks - continua Palloni - nel loro processo CAE apprezzano una riduzione dei tempi di modellazione del 40% rispetto all utilizzo dei preprocessori tradizionali. Inoltre, la possibilità lavorare su modelli CAE parametrici semplifi ca il processo di ottimizzazione del prodotto. L approccio di modellazione CAD-Free, unito a strumenti consolidati quali l ottimizzazione multi-obiettivo e l ottimizzazione topologica, permette di affrontare in maniera strutturata temi progettuali importanti quali la riduzione del peso dei componenti mantenendo le funzionalità e la sicurezza. A questo proposito conclude Palloni - abbiamo sviluppato un fl usso di lavoro ripetibile che è stato battezzato Minimalistic Design. Il Minimalistic Design è basato sia sul DEP MeshWorks che su altri strumenti CAE più tradizionali, e può essere applicato in qualsiasi settore dell ingegneria per l ottimizzazione strutturale del prodotto. Confronto tra il workfl ow CAE tradizionale quello migliorato dalla modellazione CAD-Free. Francesco Palloni dalla strutturale (statica, dinamica, lineare e non) alla risposta in frequenza, dall analisi a fatica fi no all analisi acustica. Molti strumenti CAD offrono soluzioni cinematiche che aiutano i progettisti nell ottimizzazione del percorso meccanico per il controllo delle interferenze. Tuttavia, la cinematica da sola non offre tutte le informazioni fondamentali necessarie, perciò il portafoglio di offerta Siemens fornisce funzionalità di simulazione dinamica multi-body che vanno oltre la semplice cinematica. Il range completo di soluzioni per le simulazioni cinematiche e dinamiche multi-body di corpi rigidi e fl essibili, unitamente alle analisi fl uidodinamiche e termiche costituiscono un set di strumenti utili per le aziende che intendono affrontare la problematica della prototipazione virtuale dei prodotti industriali ricavandone benefi ci in termini di cost saving. SmartCAE propone DEP MeshWorks, un software innovativo, sviluppato da Detroit Engineered Products, che abilita la modellazione FEM e CFD senza l ausilio di geometrie CAD di appoggio, partendo da modelli CAE già esistenti. La suite mette a disposizione degli analisti una serie di strumen- 21

9 ICT CAE: miracolo simulazione Focus Offerta SmartCAE: DEP MeshWorks D EP MeshWorks è un software innovativo, sviluppato da Detroit Engineered Products, che abilita la modellazione FEM e CFD senza l ausilio di geometrie CAD di appoggio, partendo da modelli CAE già esistenti. La suite mette a disposizione degli analisti una serie di strumenti avanzati per il morphing della mesh, operazioni avanzate su mesh volumetrica e superficiale, creazione automatica di mesh con elementi esaedrici: tutti strumenti che non sono disponibili negli ambienti di preprocessing tradizionali. Grazie alla possibilità di deformare la mesh in maniera parametrica, DEP MeshWorks semplifica il flusso di lavoro delle analisi e abilita l ottimizzazione di forma del prodotto attraverso la simulazione. DEP MeshWorks riesce a parame- ti avanzati per il morphing della mesh, operazioni avanzate su mesh volumetrica e superficiale, creazione automatica di mesh con elementi esaedrici: tutti strumenti che non sono disponibili negli ambienti di preprocessing tradizionali. Il prodotto può funzionare sia in modalità interattiva che in modalità batch. È oramai riconosciuto che la simulazione in un ambiente collaborativo è fondamentale per ridurre il time-to-market e massimizzare le esperienze precedenti. In particolare le soluzioni CAE consentono un ampio range di possibilità di simulazione per il controllo della complessità della modellazione e dell analisi di un sistema con un livello di accuratezza elevato. I sistemi trizzare i modelli creati per i principali solutori FEM strutturali, espliciti e CFD. Il prodotto può funzionare sia in modalità interattiva che in modalità batch, se abbinato a un software di ottimizzazione. Attualmente DEP MeshWorks è utilizzato dai principali costruttori automobilistici a livello mondiale. SmartCAE è il rivenditore ufficiale, nonché centro di competenza per DEP MeshWorks in Italia. MeshWorks permette la rimozione dei dettagli da una mesh senza dover ricreare il modello. CAE saranno i principali fornitori d informazioni per aiutare i team di supporto di progettazione nel processo decisionale. Prodotti di successo possono quindi essere lanciati in tempi ridotti anche grazie all uso intensivo di queste discipline. Progettare e simulare sono oramai fasi inscindibili per le aziende che intendono continuare a competere. In conclusione, le prestazioni del prodotto sono un elemento fondamentale per il successo di molti bravi produttori. La capacità di un prodotto di soddisfare i requisiti funzionali influisce sui profitti, i costi, il time-to-market, la qualità e, in ultimo, sulla capacità dell azienda di avere successo in un mercato competitivo. Partendo da un modello FEM esistente (A) con MeshWorks è possibile modificarne la forma (B) e ricreare automaticamente la mesh nella zona allungata (C).