Modellizzazione e prototipazione virtuale

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1 Questa guida è stata realizzata 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, 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 IMPRESE X INNOVAZIONE Modellizzazione e prototipazione virtuale

2 IL CONTESTO ATTUALE L attuale contesto economico ha come principale caratteristica quella di essere in continua fibrillazione e, di conseguenza, le aziende che vi operano devono essere in grado di adeguarsi prontamente ai mutamenti e saper prevenire i gusti dei clienti e dei consumatori. Le aziende devono saper governare e gestire soprattutto: strategia, organizzazione, management; per poterlo fare in maniera efficace nel contesto attuale occorrono intuito, estro, creatività. I manager devono saper attivare e gestire la creatività indirizzandola adeguatamente; devono saper innovare e rafforzare il vantaggio competitivo continuamente e velocemente, anche attraverso l utilizzo di strumenti ICT adeguati che supportino soprattutto le attività core dei processi interni alle loro aziende. Sia nelle PMI che nelle grandi aziende che hanno come mission la progettazione e la vendita di prodotti e/o servizi sempre più competitivi, ha grande importanza il settore che si occupa della progettazione e ingegnerizzazione dei prodotti. Ampia è la gamma dei settori nei quali tale funzione ricopre un ruolo fondamentale: meccanico, elettrico, elettronico, chimico, minerario, moda, tessile, medico, farmaceutico, agrario, ecc. 1

3 2 INGEGNERIA DEI PRODOTTI Un area complessa come quella tecnologica prevede i processi di sviluppo e trasformazione dei prodotti costituiti da materiali e componenti tradizionali e/o innovativi, possibilmente integrati, e comprende: - le fasi di ideazione, progettazione, fabbricazione, assemblaggio, controllo, ecc.; - le tematiche tipiche dell'ingegneria concorrente e di progettazione/ produzione assistite da calcolatori; - la caratterizzazione tecnologica dei materiali da trasformare; - la determinazione delle caratteristiche ottime di prodotto; - la determinazione dei parametri ottimi di processo, che consentano di minimizzare i costi ed i tempi di fabbricazione; - la progettazione e gestione della qualità e della salvaguardia dell'ambiente; - la prototipazione, oggi possibile anche virtuale. Nelle aziende che sviluppano e producono prodotti e/o servizi, le aree che si occupano dell ingegneria del prodotto si avvalgono di personale molto preparato, sia dal punto di vista culturale che scientifico, con approfondite conoscenze sia nell area tecnologico-produttiva che economico-gestionale. Il team è quindi in grado di affrontarne i problemi inerenti attraverso una visione globale del processo di sviluppo e di produzione. Le questioni attinenti al tema citato rivestono carattere fortemente interdisciplinare e, come ad esempio accade nel settore metalmeccanico, spaziano dall analisi del processo progettuale, all ingegnerizzazione, dall individuazione del migliore processo produttivo, alla gestione dei sistemi di produzione e dei sistemi informativi ad esso connessi, coinvolgendo quindi sia aspetti propriamente ingegneristici sia competenze in altri settori, con particolare importanza in quello economico-gestionale. Sempre in relazione al settore metalmeccanico, le aree culturali di riferimento sono le tecnologie specifiche, le metodologie di sviluppo, l analisi del prodotto, i sistemi di produzione, gli impianti, la programmazione e la gestione della produzione, la gestione integrata della qualità, il project management, l ottimizzazione dei flussi di produzione, la protezione dell ambiente di lavoro, l affidabilità e la sicurezza del prodotto, in relazione al processo di fabbricazione, e i sistemi informatici aziendali. Una seconda problematica afferisce ai metodi e sistemi, in particolare agli aspetti economici della gestione di tali sistemi: - le metodologie e gli strumenti per le progettazioni dei prodotti e dei processi; - i metodi di modellizzazione dei processi di sviluppo del prodotto, di utilizzo anche di modelli virtuali, di modellizzazione dei prodotti nel ciclo di vita, gestione delle documentazioni dei prodotti; - l analisi e la modellizzazione per il progetto integrato dei sistemi produttivi, distributivi e della relativa logistica; - l analisi e la progettazione degli specifici impianti industriali, incluse le valutazioni di fattibilità ed economiche; - l automazione dei sistemi di produzione, previa l analisi di convenienza economica di sistemi integrati e flessibili (FMS, robot e celle di lavorazione); - l analisi e la progettazione ergonomica e della sicurezza dei sistemi produttivi; - la pianificazione dei processi e la simulazione/ottimizzazione dei flussi dei materiali nei processi produttivi e di consegne; - la programmazione e la gestione dei sistemi di lavorazioni, assemblaggi, controlli per i prodotti; - la gestione della qualità e delle manutenzioni; - le metodologie di prototipazione, anche virtuale, ed i relativi strumenti di rappresentazione, anche per modellizzazioni e simulazioni, applicabili in molti settori produttivi; - i metodi e strumenti di rappresentazione per le simulazioni sia del funzionamento del prodotto sia del processo di fabbricazione. ICT ED INNOVAZIONE DI PRODOTTO E DI PROCESSO Attualmente stiamo assistendo ad un forte sviluppo delle Tecnologie Informatiche e delle Telecomunicazioni e del loro utilizzo all interno delle imprese. Da ciò ne consegue l opportunità per le aziende di apportare al loro interno migliorie all organizzazione, anche radicali. Oggi gli strumenti ICT consentono di ricoprire e supportare con l utilizzo dei calcolatori moltissime fasi dei processi di progettazione e di produzione. I manager possono essere aiutati da strumenti ICT ormai adeguati, ma anche innovativi, che possono contribuire ad apportare miglioramenti sensibili alle attività di innovazione dei prodotti/processi nelle loro aziende. 3

4 MANAGEMENT DI PRODOTTO ED ICT Esperti e manager dell Ingegneria di prodotto sono tra le persone che hanno le maggiori responsabilità di innovazione nelle aziende. Devono conoscere le tecniche, gli standard tecnologici correnti e le best practices di riferimento. Devono provvedere alla formazione ed al supporto degli addetti specifici della loro area. Ricerca, innovazione e sviluppo di nuovi prodotti in tempi ristretti divengono un importante investimento per le aziende proiettate verso il costante soddisfacimento dei propri clienti. Il concepimento di un nuovo prodotto è uno dei momenti fondamentali nella crescita di una azienda. Innovare significa non solo creare nuove strategie di mercato, ma investire anche sul cambiamento di mentalità del personale coinvolto, per una corretta valutazione ed impiego delle tecnologie emergenti: design, progettazione industriale, engineering, modellizzazione 3D, prototipazione rapida, prototipazione virtuale, etc. SOSTEGNO DELL ICT IN AZIENDA Il rapido e continuo evolversi del contesto di mercato nel quale le aziende sono chiamate ad operare richiede pronte ed adeguate risposte. È ormai pacifico che un valido supporto dell ICT è indispensabile in azienda. Un problema è il rimanere aggiornati sulle novità tecnologiche e sulle loro funzionalità più importanti. Esempi di requisiti generali per supporti ICT necessari per i Technical Decision Makers : - utilizzo di strumenti tecnologici affidabili e di ultima generazione; - disponibilità e impiego fattivo delle più recenti ricerche ed applicazioni tecnologiche; - formazione alla ottimizzazione delle prestazioni e dell efficacia delle Applicazioni; - ausilio alla ottimizzazione dei systems management e dei processi di supporto. ESEMPI DI SISTEMI INNOVATIVI PER LO SVILUPPO DI PRODOTTI, PER LA GESTIONE E LA CONDIVISIONE DELLE INFORMAZIONI DI PRODOTTO L elevata concorrenza nel settore industriale pone come obiettivo alle singole aziende di immettere sul mercato prodotti di elevata qualità, a minori costi e nel più breve tempo possibile. In risposta a queste esigenze, sempre maggiore è il ricorso all impiego dei calcolatori ed agli strumenti informatici di ausilio alla progettazione per automatizzare, quindi velocizzare, processi altrimenti ripetitivi e lenti. Spesso un progetto industriale può essere il risultato della cooperazione di più aziende: ciò rende necessario scambiare e confrontare il più possibile le informazioni e le proposte progettuali tra i vari gruppi di lavoro che collaborano allo stesso progetto. La progettazione assistita dal calcolatore rappresenta uno strumento fondamentale nella progettazione industriale, sia nella grande azienda che nella piccola-media impresa manifatturiera. La valutazione delle prestazioni del prodotto già in fase di progettazione, resa possibile dalle attuali tecnologie CAD/CAM/CAE, sta acquisendo sempre maggiore rilevanza in ordine alla realizzazione di prodotti il più possibile rispondenti alle richieste, ed alla riduzione della tempistica che intercorre tra l ideazione dei medesimi ed il loro ingresso nel mercato. La progettazione 3D (a 3 dimensioni) realizzata mediante i principali strumenti CAD presenti sul mercato può essere affiancata dalle simulazioni numeriche nei settori in cui occorrono calcoli di tensioni-deformazioni, cinematica, fluidodinamica, ecc... Occorre essere in grado di seguire il processo di sviluppo di un prodotto dall ideazione alla industrializzazione. La struttura di gestione deve essere flessibile e capace di affrontare efficacemente progetti di varie dimensioni. 4 5

5 SUPPORTI DI CAD, CAE, CAM. In tempi recenti si è assistito ad un considerevole impiego dei sistemi CAD/CAM/CAE nella progettazione. L'evoluzione dei sistemi CAD in particolare ha reso possibile la creazione di modelli virtuali che offrono sia la possibilità di studiare a fondo un oggetto attraverso sistemi CAE, sia l'opportunità di creare rapidamente prototipi fisici attraverso sistemi CAM. Per la progettazione industriale e meccanica utilizzante software di modellizzazione 3D normalmente il modello geometrico nel CAD costituisce, per il processo di progettazione e di produzione, il database comune delle informazioni cui attingono i sistemi per la simulazione e per la produzione o anche per la prototipazione rapida. 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 gruppi di lavoro. FIGURA 1 - SCHEMA CONCETTUALE DI UN PROCESSO DI PROGETTAZIONE PRODOTTI O IMPIANTI FLUSSO DI PROGETTAZIONE CON PROTOTIPAZIONE TRADIZIONALE FASI DI PROGETTAZIONE - ideazione modelli di parti e assiemi - calcoli ingegneristici (fisico, matematici, chimici, ecc.) - disegno/grafica COSTRUZIONE PRIMI PROTOTIPI PROVE E COLLAUDI PROTOTIPI MODIFICHE/ADATTAMENTI DI PROGETTI ITERAZIONI DI PROTOTIPI/PROVE/MODIFICHE COSTRUZIONE PROTOTIPI FINALI, PRE-SERIE PROVE E COLLAUDI PROTOTIPI FINALI RILASCIO PROGETTI PRODUZIONE PRODOTTI FLUSSO DI PROGETTAZIONE CON PROTOTIPAZIONE VIRTUALE (IN ALTERNATIVA) SUPPORTO COMPUTERS CAD 2/3D CAE (in qualche caso) prototipazione rapida SUPPORTO SUPERCOMPUTERS Modellizzazione Prototipazione virtuale ALTRI SUPPORTI (FEA, PROTOTIPAZIONE VIRTUALE) La realizzazione di software specifici di analisi, anche incorporati nel CAD, ha reso accessibile a moltissimi progettisti l'analisi agli Elementi Finiti (FEA), che ora può essere parte integrante del processo di sviluppo dei prodotti. Il software di analisi consente di verificare l'integrità di una progettazione prima della fase di produzione, prendendo in considerazione ad esempio la resistenza strutturale, la dinamica dei fluidi, il trasferimento termico e l'interazione tra le parti in movimento. Per l analisi strutturale Mediante l analisi ad elementi finiti (FEA) viene verificato il comportamento di un oggetto in progettazione sottoposto a condizioni simili al suo impiego o funzionamento. L'analisi ad elementi finiti permette di studiare vari aspetti, quali: sollecitazioni massime, spostamenti, vibrazioni, ottimizzazione dei parametri di progetto. La simulazione è particolarmente importante qualora non si possiedano dati certi sulle reali condizioni di sollecitazione del particolare: ancor prima della fase di prototipazione è quindi possibile la verifica preliminare del modello. IMPORTANZA DELLE SOLUZIONI ICT - MODELLIZZAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE Le tecnologie di calcolo ad alte prestazioni possono oggi essere di valido supporto alla progettazione industriale, alla simulazione numerica, alla modellizzazione ed alla prototipazione virtuale dei prodotti, fornendo la possibilità di studiare modelli complessi in tempi brevi e rendendone possibile la loro visualizzazione in ambienti di realtà virtuale. Tali fasi si svolgono normalmente in simbiosi a monte e/o a valle del processo progettuale di prodotto o servizio. Ricerche recenti mostrano che per ottenere risultati attendibili dalle analisi dei modelli realizzati in fase di prototipazione, sono necessari studi probabilistici delle variabili in gioco che consentano di analizzare il comportamento dei modelli in contesti più realistici. FIGURA 2 CAD PROGETTAZIONE CAE PROTOTIPO VIRTUALE Le risorse di calcolo, ed a maggior ragione quelle ad alte prestazioni, sono costose per le aziende, sia in fase di acquisto che di gestione, e sono dimensionate sui carichi di lavoro medi. Ciò rende difficile e spesso impossibile l elaborazione di carichi di lavoro consistenti, normalmente solo di picco, limitando così le possibilità di analisi. È tuttavia possibile ricorrere al supporto di organizzazioni strutturate per il calcolo on demand ad alte prestazioni. Le aziende che ne hanno necessità possono esternalizzare il calcolo tecnico-scientifico legato al- 6 7

6 la modellizzazione ed alla prototipazione dei prodotti, secondo le proprie esigenze di carichi anche di picco. Possono così effettuare quelle simulazioni che non avrebbero potuto sostenere in casa, sia per carenza di risorse di calcolo adeguate, sia per mancanza di licenze dei prodotti software necessari alle elaborazioni e simulazioni. I SERVIZI DI CALCOLO TECNICO E DI SIMULAZIONE NUMERICA COME LEVA PER AUMENTARE LA COMPETITIVITÀ DELLE AZIENDE INDUSTRIALI Il mercato attuale richiede rapidità nello sviluppo e consegna di prodotto. Inoltre al prodotto stesso vengono richiesti una serie di requisiti ulteriori ed accessori rispetto alla funzionalità principale: dalla fruibilità al comfort, dalla riciclabilità al design, dai consumi contenuti alla compatibilità ecologica, etc. Per questo l engineering e la fase di ricerca e sviluppo diventano ancora più di importanza fondamentale e il calcolo scientifico ed ingegneristico assume un ruolo sempre più rilevante nella progettazione e simulazione di prodotti e processi e nella gestione informatica del complesso dei dati generati durante l iter di sviluppo dei prodotti industriali. Rispetto alle risorse tradizionali, gli elaboratori per il calcolo ad alte prestazioni forniscono i seguenti vantaggi: Ridurre il tempo di sviluppo del prodotto. La progettazione in ambiente virtuale rende possibile valutare rapidamente un numero elevato di alternative e le verifiche nel medesimo ambiente consentono di ridurre il numero dei prototipi ed il tempo di sperimentazione. Ridurre i costi del prodotto. Il minor tempo impiegato nelle attività di progettazione e verifica e l ottimizzazione nell utilizzo di materiali e tecnologie contrae i costi complessivi di sviluppo e produzione. Aumentare la qualità dei prodotti. L affidabilità delle verifiche di prodotto e di processo effettuabili con la simulazione numerica permette di raggiungere livelli crescenti di qualità e di utilizzare in modo più razionale i materiali, di stimare il ciclo di vita dei prodotti, la loro resistenza nell uso, l impatto conseguente in caso di malfunzionamenti o rotture. VISUALIZZAZIONE GRAFICA/SCIENTIFICA Le ingenti quantità di dati testuali prodotte dalle simulazioni numeriche richiedono te - cniche e strumenti di visualizzazione che ne consentano un analisi ed un interpretazione rapida ed efficace. Un immagine, infatti, è in grado di veicolare in modo più semplice ed immediato il risultato di una simulazione rispetto ad un tabulato numerico. È stata già accumulata una lunga esperienza nel campo della visualizzazione a supporto della ricerca e sviluppo e si è in grado di utilizzare tecnologie di visualizzazione avanzate per la soluzione di problemi complessi. Esistono organizzazioni che hanno tali strumenti, da utilizzare anche in remoto. In tal caso i dati prodotti dalle simulazioni vengono trasferiti via rete nella sede dell utente che li visualizza sulla sua piattaforma di risorse. Si parla di teatro virtuale e di strumenti per il lavoro collaborativo. VANTAGGI PER LE AZIENDE-UTENTI: Il teatro virtuale permette la visualizzazione di dati e modelli complessi mediante tecniche di realtà virtuale che consentono una visualizzazione immersiva dei dati con una notevole impressione di realtà. È possibile, infatti, percepire le dimensioni reali di un oggetto, l effetto visivo di un materiale ed è possibile valutare soluzioni diverse in tempo reale. All interno di un teatro virtuale si può riunire un intero team di progettazione per analizzare gli effetti delle diverse scelte tecnologiche e di design. Quando è necessario riunire un gruppo di lavoro distribuito sul territorio può essere conveniente o necessario ricorrere a strumenti di lavoro collaborativi che consentono ad utenti remoti di vedersi, dialogare e visualizzare gli stessi dati. A tale scopo sono disponibili soluzioni per la visualizzazione integrata con la videoconferenza, dando la possibilità agli interlocutori di vedersi e parlarsi mentre visualizzano le informazioni sullo schermo. - poter accedere a software di simulazione estremamente sofisticati; - investimenti limitati al pagamento di una quota proporzionale all entità dell utilizzo del software; - utilizzo di interfacce semplici, progettate espressamente per utilizzatori orientati all applicazione; - per le industrie che non svolgono attività di supercalcolo al proprio interno, opportunità di avvalersi di qualificati servizi di simulazione numerica senza la necessità di acquistare calcolatori dedicati, evitando anche tutte le problematiche correlate: forte investimento iniziale, necessità di personale competente, gestione del sistema, installazione dei prodotti; - per le industrie che svolgono attività di calcolo tecnico al proprio interno: - velocità ed efficienza della rete e riservatezza dei dati trattati; - possibilità di avvalersi di competenze scientifiche e tecnologiche di alto livello. 8 9

7 FIGURA 3 - FLUSSO DI PROGETTAZIONE CON MODELLIZZAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALI FASI DI PROGETTAZIONE - ideazione modelli di parti e assiemi - calcoli ingegneristici (fisico, matematici, chimici, ecc ) - disegno/grafica Struttura di Teatro virtuale SUPPORTO COMPUTERS CAD 2/3D CAE Supporto supercomputers (calcoli in parallelo) dati di calcolo geometrie, forme schemi, ecc... anche/oppure Package di modellizzazione e visualizzazione virtuale, a teatro ARCHIVI DI DATI SPERIMENTALI PACKAGE DI MODELLIZZAZIONE E VISUALIZZAZIONE PRE-PROCESSORE micro-suddivisione e preparazione Modello SOLUTORE elaborazione calcoli sollecitazioni POST-PROCESSORE reports esiti sollecitazioni e visualizzazione a monitor SERVIZI DI ELABORAZIONI AD ALTE PRESTAZIONI DISPONIBILI PER LE AZIENDE Presso strutture opportunamente costituite può essere predisposto l utilizzo di elaboratori di supercalcolo per: rispondere alla domanda completa di computing power fornendo alle industrie la capacità di calcolo di cui hanno bisogno, gestendo attività in outsourcing dei servizi di calcolo avanzato e rendendone possibile l utilizzo da remoto; offrire servizi di calcolo on demand, nei periodi di fabbisogno e per specifiche e complesse elaborazioni; soddisfare solo dei carichi di picco per elaborazioni/applicazioni mediamente meno complesse; effettuare attività di porting e parallelizzazione di codici proprietari nel contesto di progetti industriali; mettere a disposizione, come servizi web, prodotti software per la simulazione senza che l azienda utilizzatrice deb- SERVIZI DI VISUALIZZAZIONE SCIENTIFICA E GRAFICA 3D ba adeguare il proprio sistema di calcolo alla elevata potenza richiesta; fornire la tecnologia necessaria per la costruzione di ambienti di calcolo distribuiti (GRID), che abilitino l integrazione e la collaborazione fra gruppi di lavoro remoti (organizzazioni virtuali) per la realizzazione di progetti, sessioni di lavoro cooperativo, seminari, corsi, convegni. Per diversi ambiti applicativi, dalla industria alla fisica, chimica, astronomia, dalla medicina ai beni culturali, ecc. viene realizzato e messo a disposizione di progettisti e ricercatori un Teatro Virtuale che consente la visualizzazione di dati e modelli complessi mediante tecniche di realtà virtuale. Ciò è reso possibile utilizzando strumenti che consentono l' interazione con i dati ed anche possibilmente con la gestione di una Biblioteca di software per il calcolo tecnico (computer aided engineering, ), il calcolo scientifico (bioinformatica, chimica, fisica, ), la gestione di librerie (matematica, calcolo parallelo, chimica, fisica, debugging e profiling) e le visualizzazioni (analisi dei dati, grafica, grafica 3D, grafica molecolare, modellizzazione, image processing, navigazione di modelli virtuali)

8 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. Il servizio consente di attingere a personale specializzato per l ottimizzazione e l ingegnerizzazione di codici proprietari del cliente o per lo sviluppo di nuovi codici o interfacce di visualizzazione. SERVIZIO DI BIBLIOTECA SOFTWARE O PROGRAMMOTECA Può consentire alla PMI l'uso di strumenti avanzati di calcolo senza un'estensione delle proprie risorse di hardware e software e con un investimento minore. Campi Applicativi principali: Calcolo strutturale, computazione fluidodinamica, chimica computazionale, ecc. Clienti: Aziende, soprattutto PMI (settore meccanico, petrolifero, chimico farmaceutico, ecc.). SERVIZI DI VISUALIZZAZIONE DATI Permettono di gestire e tradurre in immagini una mole di dati ottenuta dalla simulazione numerica. Le immagini veicolano in modo immediato l interpretazione dei dati e supportano il processo decisionale. Il cliente può visualizzare in remoto i risultati della simulazione sul suo desktop, con il proprio strumento di visualizzazione e senza trasferire i dati. Campi Applicativi: supporto alla progettazione industriale, simulazioni di ingegneria, simulazioni scientifiche (cosmologiche, vulcanologiche, meteorologiche, ecc.), pianificazione di interventi chirurgici, rappresentazioni del territorio, ecc. Tipi di Clienti: Industrie, Enti Pubblici, Sanità, ecc. TEATRO VIRTUALE ESEMPI DI SOLUZIONI E SERVIZI UTILIZZABILI Tecnologia per la visualizzazione tridimensionale per il design in scala reale e la prototipazione virtuale. La compresenza dell ambiente di simulazione e visualizzazione fa sì che i risultati della simulazione possano essere resi direttamente nell ambiente virtuale. È possibile utilizzare lo schermo retroproiettato per il design in scala reale di prodotti e manufatti oltre che del modello CAD e del modello FEM. Campi Applicativi/Clienti: supporto alla progettazione industriale, simulazioni di ingegneria, simulazioni scientifiche (cosmologiche, vulcanologiche, meteorologiche, ecc.), pianificazione di interventi chirurgici, rappresentazioni del territorio, ecc. Tipi di Clienti: Industrie; Enti Pubblici; Sanità; ecc. MODELLIZZAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE - VERSO UNA PROGETTAZIONE SEMPRE PIÙ EFFICACE Simulazione di una eruzione del Vesuvio Il successo di nuovi prodotti è uno dei fattori chiave per acquisire nuove quote di mercato e per rimanere competitivi sul proprio mercato. Tutte le aziende che operano nel manufacturing investono in innovazione di prodotto e la progettazione è uno dei fattori chiave di successo. La progettazione diventa così un attività complessa che necessita di strumenti e te - cnologie che possano aiutare chi deve studiare un nuovo veicolo o un componente di esso, un nuovo elettrodomestico, lo scafo di una nave, l ala di un aereo, l arredamento di un locale, al fine di poter tener conto di tutte le variabili in gioco da quelle strettamente tecnologiche a quelle ergonomiche, dalla sicurezza all estetica. Sempre più aziende si accostano ed investono quindi sulla modellizzazione 3D dei prodotti e sull analisi delle caratteristiche meccaniche, aerodinamiche, fluidodinamiche, termodinamiche, acustiche dei modelli mediante tecniche agli elementi finiti (FEM); utilizzano ambienti di realtà virtuale per avere una rappresentazione in scala reale dei modelli e valutare meglio gli aspetti ergonomici ed estetici legati ad esempio alla resa dei materiali. QUALI BENEFICI PER L AZIENDA? Un attività di progettazione completa che tenga conto di tutte le variabili in gioco per 12 13

9 il successo del prodotto è un fattore chiave per il successo commerciale del prodotto stesso. Oltre ai CAD/CAE è utile l utilizzo degli ambienti di realtà virtuale per il design avanzato in scala reale dei prodotti. L adozione di tecniche di modellizzazione e prototipazione virtuale porta ad un miglioramento della fase di progettazione e di conseguenza comporta: la riduzione o eliminazione di prototipi fisici; la riduzione dei costi di certificazione 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 La dotazione delle serie di prodotti CAD/CAE per la realizzazione e l analisi dei modelli 3D e l acquisizione delle risorse di calcolo necessarie sono sicuramente le due voci di costo più significative, cui fanno seguito l acquisizione delle competenze necessarie per condurre le analisi. Per far uso di strumenti di realtà virtuale occorre dotarsi di un sistema di proiezione adeguato e di applicativi che consentono di visualizzare modelli 3D. Molte grandi aziende sostengono i costi di acquisizione degli strumenti; le piccole e medie aziende hanno maggiori difficoltà, poichè il carico di lavoro potrebbe non giustificare un investimento importante. Queste realtà possono però beneficiarne dall utilizzo di centri di servizi che possono fornire loro gli strumenti necessari on-demand. Infatti alcune applicazioni software per l analisi FEM sono adeguate per molti tipi di simulazioni, altre sono più specifiche e dedicate solo a particolari tipi. Spesso le aziende sono dotate solo di quelle di uso più comune, rinunciando a condurre le simulazioni che richiederebbero l uso di codici più specifici. Anche in questo caso un centro servizi dotato di un ampia gamma di pacchetti software utilizzabili on-demand rappresenta un grosso vantaggio per chi non desidera compiere grossi investimenti iniziali. Nelle aziende che hanno adottato tecniche di modellizzazione e prototipazione virtuale c è stata una sensibile riduzione dei costi legati alla realizzazione di prototipi fisici ed in alcuni casi si procede alla certificazione dei prodotti direttamente a partire dal modello e non sulla base di un prototipo. I tempi e i costi di realizzazione del modello virtuale sono spesso di molto inferiori alla realizzazione di prototipi fisici, anche se questo dato varia da settore a settore. Analizzando il modello virtuale e il suo comportamento a priori è possibile ottimizzare l impiego dei materiali e quindi ridurre i costi di produzione, considerando sempre che anche l entità di questo dato varia da settore a settore

10 16 ORDINI DI GRANDEZZA DI COSTI DELLE APPLICAZIONI Packages di Programmoteca Licenze Tempo di supercalcolo Teatro virtuale Licenze Tempo di utilizzo del teatro Supporto specialistico Utilizzo in esclusiva Il costo della licenza è interamente a carico del cliente. Per utilizzo dei codici in parallelo su 16 processori il costo è di qualche decina di migliaia di /anno, e varia a seconda dei prodotti che si usano. Altri prodotti hanno un costo di acquisto che va a sommarsi alla manutenzione annuale. Il costo unitario è di qualche /ora a processore e varia in funzione dei volumi di utilizzo. Viene calcolato e utilizzato liberamente su base annua. Nessun costo aggiuntivo se viene utilizzato lo stesso post-processor del packages di modellizzazione. Per l uso di ulteriori packages di visualizzazione 3D il costo della licenza è interamente a carico del cliente. Il costo è calcolato a giornata ed è di qualche centinaia di. Il costo è calcolato su base giornaliera per tipo di supporto. Utilizzo on demand Il costo di utilizzo della licenza è in % funzione del tempo di uso del servizio. Idem ad esclusiva Per l uso di ulteriori packages di visualizzazione 3D il costo di utilizzo della licenza è in % funzione del tempo di uso del servizio. Idem ad esclusiva Idem ad esclusiva Le tecnologie di calcolo ad alte prestazioni sono di supporto alla prototipazione virtuale, abilitando la possibilità di studiare modelli complessi in tempi brevi e rendendone possibile la loro visualizzazione in ambienti di realtà virtuale. Le risorse di calcolo sono costose per l azienda sia in fase di acquisto che di gestione e sono dimensionate sui carichi di lavoro medi, rendendo difficile, se non impossibile, la gestione di carichi di lavoro di picco o limitando le possibilità di analisi alla disponibilità di risorse limitate. È nato quindi il concetto di calcolo on-demand che consente alle aziende di esternalizzare il calcolo tecnico-scientifico legato alla modellizzazione e alla prototipazione dei prodotti secondo le sue esigenze, servendo carichi di picco, consentendo di condurre simulazioni che non potrebbe condurre in casa o per mancanza di risorse di calcolo o per mancanza di licenze dei prodotti SW necessari alla simulazione. CONCLUSIONI QUALI BENEFICI IL CALCOLO ON-DEMAND INTRODUCE IN AZIENDA La modellizzazione e la prototipazione virtuale sono strumenti che stanno penetrando sempre più nelle imprese del settore manifatturiero per aumentare la competitività e favorire l innovazione. Le grandi aziende hanno dei carichi di produzione che giustificano gli investimenti ed i costi per acquisire la strumentazione necessaria. Le piccole e medie aziende possono avvalersi di centri di servizi che offrono strumenti per la modellizzazione e la prototipazione virtuale on-demand. Tutte le imprese possono infine avvalersi di centri che offrono servizi di calcolo on-demand per servire i carichi di picco o ester- I sistemi di calcolo ad alte prestazioni sono generalmente utilizzati per abilitare le attività di modellizzazione e prototipazione virtuale. Le aziende dotate di una struttura IT al loro interno hanno spesso delle risorse dedicate al calcolo tecnico scientifico per le attività di modellizzazione. Le risorse di calcolo dedicate a queste attività hanno un ciclo tecnologico breve e sono di norma adeguate al livello medio di quelle che sono le necessità medie della produzione. In presenza di carichi di lavoro di picco le risorse possono mostrarsi inadeguate o possono limitare le possibilità di analizzare modelli complessi o ridurre i tempi di simulazione. In tutte queste situazioni risulta particolarmente utile ricorrere a risorse di calcolo on-demand per rispondere a carichi di picco o abilitare la possibilità di ridurre i tempi di simulazione e rendere possibile l analisi di modelli complessi o effettuare analisi stocastiche sulle variabili dei modelli per avere risultati maggiormente attendibili. I vantaggi del calcolo on-demand sono numerosi: disponibilità di una risorsa di calcolo virtualmente illimitata; 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. Alcune aziende che hanno un dipartimento IT al loro interno particolarmente snello stanno considerando di esternalizzare completamente il calcolo tecnico scientifico affidandolo a centri di calcolo esterni. 17

11 nalizzare completamente il calcolo tecnico scientifico. Per sostenere la concorrenza ed affrontare la sfida del mercato globale, le industrie percorrono sempre più rapidamente la strada dell innovazione. ALCUNE APPLICAZIONI PER SETTORE Nel settore dei MATERIALI PLASTICI le applicazioni sviluppate dimostrano che è possibile simulare il soffiaggio della plastica al computer per ottimizzare la produzione di stampi, così come sono stati evidenziati grandi vantaggi derivanti dall adozione di un sistema automatico di controllo visuale della qualità del prodotto finale che sfrutti le potenzialità del calcolo ad alte prestazioni. Progetto SIMPLAST: simulazione migliorata del processo di soffiaggio per l industria della plastica. Fase di design avanzata riprogrammata per un uso migliore dei nuovi materiali come il polipropilene: -60% in costi di prototipazione, -15% in tempo di progettazione, -20% in time to market. Progetto EXAMINA: controllo di qualità non invasivo durante la produzione di bottiglie in plastica. Fino a 10,000 pezzi/ora controllati in tempo reale; -10% in meno di scarti, riduzione dei costi dell 8-12%. Progetto QUAC: sistemi di controllo della qualità della grafica nella produzione di carte stampate. Un brevetto registrato, un sistema adattato per analizzare le decorazioni delle piastrelle ceramiche, un ampio mercato potenziale. Progetto VIPLAST: un sistema di ispezione visuale per la produzione di gocciolatoi e tubi per l irrigazione. Riduzione dell 80% dei costi globali dovuti a cattiva qualità. Una campagna Zero-Difetti migliora l affidabilità dell azienda. Nel DESIGN INDUSTRIALE grandi vantaggi in termini di tempo e di soldi investiti possono derivare dall impiego di simulazioni, caratterizzate da un tempo di calcolo compatibile con le necessità Le aziende italiane ed europee hanno compiuto un notevole salto di qualità con l introduzione della tecnologia del calcolo ad alte prestazioni nei processi produttivi. È stata realizzata una rete di centri di tra- industriali, nel disegno del prototipo o nell ottimizzazione di un prodotto esistente. Progetto FLUSI: progettazione di un atomizzatore per l azienda SACMI (industria della Ceramica) mediante l utilizzo di tecniche numeriche per l analisi fluidodinamica dei flussi di particelle all interno dell atomizzatore. Progetto POPCORN: utilizzo di tecniche di simulazione e modellistica numerica nella progettazione di forni a microonde. Per investigare il comportamento elettromagnetico della struttura del forno in termini di uniformità del campo, in relazione sia alla configurazione di eccitazione che alle proprietà del carico. Sviluppo di un nuovo forno a microonde, con caratteristiche migliorate grazie ai risultati ottenuti dalla simulazione; è già stato sviluppato e introdotto nel mercato. I risparmi nel processo di sviluppo sono stati: riduzione in tempo di sviluppo del 30%, riduzione dei costi correlati del 35%, riduzione drastica del time-to-market. Progetto MYSHANET: simulazione parametrica a molti corpi per il supporto alla progettazione di nuove sospensioni per veicoli a due ruote. Riduzione del 30% del time to market per la progettazione di ammortizzatori. Progetto VROOM: sviluppo di un sistema a microcontrollore per migliorare il controllo delle emissioni dei gas di scarico in un motore ad alte prestazioni. Nell AUTOMAZIONE INDUSTRIALE, il calcolo ad alte prestazioni ha offerto un potente strumento per realizzare lo sviluppo, verso soluzioni innovative, di prodotti che erano già presenti in modo con- sferimento tecnologico per il calcolo e le reti ad alte prestazioni della Commissione Europea (HPCN) e messa a disposizione di sistemi di operatori dei settori manifatturiero e dei servizi. solidato sul mercato. Questo è stato per esempio il caso dello sviluppo di un nuovo lettore di codici a barre bidimensionali (BBC), dove questa tecnologia ha reso possibile l elaborazione dell immagine in tempo reale. Nell INDUSTRIA BIOTECNOLOGICA lo scopo della simulazione è quello di permettere un risparmio in termini di tempo e di investimento economico nella realizzazione di prodotti personalizzati sulle necessità del cliente, dove l unicità del pezzo prodotto renderebbe estremamente oneroso un approccio di tipo tradizionale. Progetto DRUG: lo studio di nuovi farmaci può trovare una spinta notevole dall impiego della simulazione nella fase iniziale di progetto (approccio CADD - Computer Assisted Drug Design). Data la complessità dei calcoli coinvolti l utilizzo di supercalcolo si rende necessario e apre notevoli prospettive per le case farmaceutiche coinvolte. Nuovi farmaci scoperti grazie al Computer Assisted Drug Design. Fondato un laboratorio che utilizza tecniche HPC per la modellizzazione molecolare. Nel settore della PROTEZIONE AMBIENTALE si incontrano problemi molto complessi. Come, ad esempio, lo studio della contaminazione del terreno dovuta ai residui dei pesticidi. Questo fenomeno è caratterizzato dall elaborazione di enormi quantità di dati e in questi casi l approccio supercalcolo può rivelarsi fondamentale per rendere maneggevoli le simulazioni. Riportiamo qui di seguito alcune delle casistiche più significative di applicazioni di supercalcolo per progettazioni, simulazioni, prototipazioni e visualizzazioni virtuali. Progetto DESIREE: sviluppo di un sistema di supporto alle decisioni. Per aiutare la definizione della strategia più appropriata in caso di un evento alluvionale catastrofico. Anche nel MONDO FINANZIARIO, l introduzione di tale tecnologia può risultare strategica. Per esempio, nel far diventare uno strumento di supporto efficace, affidabile ed anche economico la simulazione per le decisioni del management nel campo dell analisi di bilancio. Oppure per migliorare significativamente le prestazioni di strumenti per l analisi visuale dei dati da applicarsi al data mining nel campo del marketing finanziario. Progetto MARKETMINE: disegno di un database dei clienti bancari. Tecniche di data mining e strumenti per la visualizzazione dei dati combinati. Un nuovo approccio centrato sul cliente nel marketing finanziario. Progetto PALMA (Parallel asset liability management). Simulazione stocastica di Asset & Liability (Risks Management Group, Uni- Credito Italiano). PALMA è un simulatore stocastico di profitti e perdite di fogli di bilancio. La simulazione probabilistica è ottenuta attraverso il metodo Montecarlo, generando a caso migliaia di scenari economici e valutando l impatto di ognuno di loro sul foglio di bilancio e P&L. Taglio netto dei costi di apprendimento, implementazione e mantenimento. Permette una velocizzazione di cinque ordini di grandezza rispetto ai sistemi esistenti, fornendo previsioni di fogli di bilancio e P&L a 5 anni in meno di 30 minuti

12 ESEMPIO PRATICO: STUDIO PER L ACCOPPIAMENTO DI RUOTE DENTATE 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 denti (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