Principi e Metodologie della Progettazione Meccanica

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1 Principi e Metodologie della Progettazione Meccanica ing. F. Campana a.a Lezione 9: La modellazione solida

2 I metodi per il progetto esecutivo Il CAE (Computer Aided Engineering) è l insieme dei metodi informatici in grado di aiutare il progettista nello sviluppo del prodotto. Il Computer ha un ruolo molto importante nell iter di progettazione moderna perché permette: calcoli di verifica più precisi ed accurati rispetto ai metodi analitici classici, che in genere hanno un campo di applicazione limitato a strutture semplificate; la riduzione dei tempi di sviluppo del progetto attraverso I sistemi di modellazione solida; la razionalizzazione delle informazioni associate al progetto attraverso data-base, formati standard e condivisione dei file (vedi per es. il passaggio CAD/CAM, ovvero il passaggio dal progetto al percorso utensile).

3 Cenni sulla prototipazione Integrando tra loro le tecniche CAE si crea un prototipo virtuale che simula il comportamento del sistema. La realizzazione del prototipo fisico tende ad essere un mezzo di validazione finale piuttosto che di sviluppo ed ottimizzazione del prodotto come accadeva un tempo. Nell ambito dello sviluppo prototipi un aspetto interessante è la tecnica del rapid prototyping (prototipazione rapida) un sistema per la creazione fisica del solido a partire dalla geometria CAD. Solitamente serve per verificare lo stile di un oggetto o la sua funzionalità, la resistenza è in genere inficiata dal tipo di materiale adottato. (Per approfondimenti sul rapid prototyping controlla i link nel sito del corso)

4 Il Computer Aided Design I sistemi CAD si basano sul concetto della modellazione solida, ovvero ricreano virtualmente il componente nelle sue tre dimensioni attraverso un processo analogo a quello delle lavorazioni meccaniche: si parte da un blocco di materiale su cui si scava o si aggiunge. Il modello solido è manipolabile non solo nella visualizzazione ma anche attraverso la simulazione, l assonometria è statica e dà solo informazioni dimensionali e di fabbricazione, non di resistenza ad esempio

5 Funzionalità di base di un CAD I sistemi CAD sono in genere suddivisi in moduli, o ambienti, nell ambito della meccanica sono moduli imprescindibili quelli di: Modellazione della parte Creazione degli assiemi Messa in tavola Queste tre modi di agire rientrano nelle cosiddette capacità di disegno del sistema CAD. Prodotti commerciali specifici possono avere altri ambienti dedicati, sviluppati per applicazioni CAE quali ad es. saldatura, stampaggio, disegno di condutture, ergonomia, calcolo FEM. Un altra proprietà importante del CAD è l associatività dei disegni.. Il disegno del componente è collegato ai suoi file di messa in tavola o di assieme per cui ogni sua modifica si ripercuoterà in maniera automatica sui file derivati. Questo riduce I tempi di esecuzione durante la fase di sviluppo di un progetto.

6 Funzionalità di base di un CAD La modellazione solida di parti o assiemi gode dell automazione delle funzioni di disegno consentendo di evitare operazioni ripetute attraverso l uso di comandi di traslazione, rotazione, simmetria, duplicazione e secondo percorsi,... Attraverso la creazione di famiglie di parti si possono standardizzare i disegni di componenti tra loro variabili solo per p alcuni dettagli Con le funzioni di interrogazione si possono ottenere indicazioni di posizione, distanza, geometria delle masse, Mentre con la manipolazione delle viste, attraverso i comandi di zoom, pan e proiezione, visualizzazione in modalità wireframe oppure solid,, si possono esplorare I modelli in modo interattivo e sotto ogni angolazione. Attraverso il rendering è possibile creare immagini realistiche del modello attribuendogli le caratteristiche visive della superficie (una texture ovvero un immagine realistica relativa al tipo di materiale) ed inserendolo in un ambiente illuminato.

7 Funzionalità di base di un CAD Come ultima proprietà di base si cita la strutturazione del disegno (a strati, ad albero, referenziata). La strutturazione indica I legami tra le diverse entità geometriche del disegno. I CAD meccanici sono generalmente strutturati turati ad albero gerarchico: le forme solide derivano una dall altra altra (genitori e figli). Se si modifica il padre, nei limiti del possibile, il cambiamento non n si ripercuote sui figli a meno che la definizione di questi ultimi non si basi sulla geometria del padre che è stata modificata. Esempio: modificando una figura di base, per quanto possibile le rifiniture (smussi, raccordi, )) già presenti non devono essere modificate.

8 La modellazione solida La modellazione solida costruisce modelli 3D mediante feature feature Geometria/Costruzione caratteristica Il disegno inizia da una feature base (un blocco o un cilindro), su cui si costruiscono le altre geometrie necessarie a caratterizzare la parte

9 Le feature aggiungono oppure tolgono materiale: protusioni di estrusione di rivoluzione di scorrimento scavi nervature spessoramento fori Feature di dettaglio: raccordi, squadri e smussi

10 Tipologie di Feature Estrusione Un profilo scorre in direzione ortogonale al piano su cui è stato definito L L estrusione richiede: un profilo, un verso di estrusione ed una profondità (L)

11 Solido di rivoluzione Tipologie di Feature Un profilo ruota attorno ad un asse passante nel piano del profilo La feature di rivoluzione richiede: un profilo ed un asse, un angolo di rotazione

12 Tipologie di Feature Il Loft Il loft è una feature a sezione variabile con asse rettilineo La feature di loft richiede: una serie di profili paralleli ed una o più guide (curve che congiungono i punti corrispondenti sui vari profili)

13 Tipologie di Feature I solidi di Scorrimento La feature di scorrismento consiste in uno o più profili che scorrono lungo una curva Lo scorrimento richiede: una serie di profili, una dorsale curvilinea e delle guide (curve che congiungono i punti corrispondenti sui vari profili)

14 Il disegno dei profili Ogni feature di base richiede un profilo di partenza da disegnare su un piano di riferimento. I piani di riferimento possono essere: - uno dei piani coordinati (xy, yz, zx), - oppure un piano comunque localizzato rispetto ad essi, -oppure un piano appartenente ad una faccia del pezzo. Le funzioni di disegno consentono - il tracciamento di linee e figure geometriche, - la verifica di vincoli reciproci tra gli elementi di disegno, - operazioni di taglio, simmetria, delimitazione ed estensione, scalatura.

15 Le relazioni di vincolo consentono una maggiore rapidità di disegno e fanno sì che il profilo sia chiuso. Per creare la feature infatti il profilo deve essere chiuso, ovvero le estremità delle linee e degli archi che si succedono devono coincidere. Esempio: Attraverso I vincoli di relazione angolare rispetto a due linee di costruzione si associa il disegno a grandezze geometriche che durante il progetto possono variare Il disegno dei profili linea di costruzione

16 Possibili vincoli geometrici (presi da IntelliSketch di Solid Edge ma comuni a tutti I sistemi) perpendicolarità tangenza collegamento tangente orizzontale

17 Estensione delle feature L estensione (ovvero la profondità della feature) si può definire secondo le seguenti modalità: 1. passante, 2. fino al prossimo elemento geometrico, 3. finita, 4. estesa da a a da scavo passante scavo fino al prossimo scavo da a Le opzioni 1, 2 e 4 permettono di definire la geometria senza dover necessariamente impostarne la lunghezza, in questo modo l aggiornamento delle modifiche può essere più semplice.

18 Esempio A L elemento iniziale Estensione delle feature Lo scavo A sia definito come esteso fino al prossimo Se modifico la lunghezza l dell estrusione (operando sulla struttura ad albero del disegno) lo scavo si mantiene con le stesse caratteristiche di estensione (ovvero passante da lato a lato dell estrusione) L modifica elemento finale Se invece lo scavo fosse stato definito con estensione finita pari a XX mm, dopo la modifica di L avremmo ottenuto

19 Foratura e Filettatura La foratura permette di realizzare fori di vario tipo secondo le seguenti fasi: - selezione della feature di foratura - selezione del piano su cui forare - scelta delle opzioni di foro - posizionamento del centro del foro - aggiornamento Tipi di foro: semplici, filettati, alesati, conici, svasati. Ciascuno di questi tipi richiede di specificare le dimensioni caratteristiche del foro senza dover disegnare effettivamente il suo profilo longitudinale. Estensione del foro: passante (o fino al prossimo), finita (estensione oppure da a ). Le estensioni finite possono avere il fondo svasato

20 Foratura e Filettatura Foro semplice: richiede il diametro e l estensione Foro alesato: richiede il diametro(d) e l altezza (H) dell alesatura, il diametro e l estensione del foro. D H L alesatura può essere con fondo a V (ovvero svasata) in questo caso si specifica l angolo della svasatura. D H Foro conico: richiede un diametro (il minimo o il massimo), il rapporto o l angolo di conicità, nonché la profondità del foro. D Foro svasato: richiede il diametro (D) e l angolo di svasatura, il diametro e la profondità del foro.

21 Foratura e Filettatura La filettatura (per fori o gambi): la filettatura si crea su gambi o fori nel primo caso occorre prima creare la parte solida, nel secondo caso basta richiamare l opzione foro filettato. N.B. questa costruzione NON crea la geometria del filetto ma attribuisce alla feature gambo o foro le caratteristiche nominali del filetto, in maniera tale che nella successiva messa in tavola sia riproducibile la convenzione grafica che lo rappresenta. E una rappresentazione convenzionale, in SE indicata in verde, fatta per non appesantire la gestione dei file. La filettatura non è una costruzione geometrica che toglie materiale. Attraverso l attivazione delle finiture nella parte di rendering si può visualizzare in maniera più realistica

22 Raccordi e Smussi Raccordi e smussi sono rifiniture delle parti che posso essere fatti direttamente come feature 3D senza ricorrere al raccordo dei profili piani. elemento iniziale raccordo 1 raccordo 2 definito come raccordo su faccia Queste operazioni possono dare risultati differenti in base alle caratteristiche di raccordo imposte. Ad esempio il raccordo 2, se definito con l opzione gira intorno agli angoli diventa: definito come raccordo catena o bordi/vertici

23 Modellazione delle Parti Duplicazione delle feature mediante matrici. I programmi CAD hanno diverse funzioni di automazione del disegno sia nell ambito del disegno bidimensionale che nell ambito della modellazione delle feature. Rientrano in questa categoria le funzioni di rotazione, traslazione, specchiatura. Per modelli complessi o duplicazioni ripetute secondo schemi precisi è molto utile il comando di duplicazione secondo matrici che possono essere di tipo circolare o rettangolare. Un esempio molto comune in cui usare tale comando è quello in cui si richiede la duplicazione di fori.

24 Esempio Feature: foro alesato offset Feature di duplicazione secondo matrice rettangolare con offset Feature di duplicazione secondo matrice rettangolare senza offset

25 Sequenza di lavoro Una volta selezionata la feature occorre: 1. scegliere il piano su cui duplicare (in genere è il piano della feature stessa da cui si parte), 2. disegnare il profilo della matrice con le sue opzioni specifiche (circolare, rettangolare con o senza offset, numero di duplicazioni) partendo da un punto di riferimento della feature di partenza (ad esempio nel caso precedente si parte dal centro del primo foro). NOTA: Possono esserci due metodi di calcolo delle duplicazioni: smart o fast. Il primo è più lento ma più affidabile, l altro fallisce spesso per geometrie complesse

26 N.B. Se la feature di partenza cambia le sue caratteristiche (geometria, dimensione, opzione del foro) la duplicazione si aggiorna automaticamente senza dover essere rieseguita! Feature di partenza Duplicazione di fori secondo matrice circolare Percorso di duplicazione circolare (360 diviso in 6 parti)