Computer Aided Design a supporto

del progetto esecutivo Logiche di base e finalità avanzate

Francesca Campana

Dip. di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale

Sapienza Università di Roma

Sommario

Significato di Computer Aided Design e Obiettivi

CAD e progettazione, CAD e sviluppo prodotto

Esempio

Evoluzione storica

Competenze richieste

Il cuore dei sistemi CAD: il modello solido

Modellazione parametrica “feature based”

Progettazione parametrica knowledge based – l’esempio della maniglia

PDM

CAD variazionali a modellazione diretta (history free, ma comunque parametrici!)

Introduzione al Computer Aided Design 2

Significato

Con “Computer Aided Design (CAD)” l’ingegnere intende

l’insieme di conoscenze tecniche e informatiche in

grado di condurre un processo di “Progettazione

Assistita dal Calcolatore”.

Il CAD non è:

solo uno strumento di disegno per la realizzazione grafica

di forme ma un metodo per lo sviluppo e la gestione di

progetti industriali

uno specifico software ma un insieme di procedure e funzionalità

Introduzione al Computer Aided Design 3

Obiettivo

Assistere l’iter di progettazione offrendo strumenti in grado di:

automatizzare gli aspetti ripetitivi e standardizzati del processo

ridurre gli errori relativi all’applicazione delle norme tecniche (standard ISO, UNI, DIN, …)

verificare il prima possibile criticità funzionali, costruttive e di fabbricazione attraverso prototipi virtuali

gestire e archiviare le informazioni e le documentazioni di progetto e ciclo di vita del prodotto (Product Data Management e Product Lifecycle Management – PDM e PLM)

4 Introduzione al Computer Aided Design

Ciclo di Vita di un Prodotto

5

Richiesta Mercato Produzione

Distribuzione e Vendita

Progettazione Prodotto

Programmazione Produzione

Utilizzo (=Esercizio)

Manutenzione

Dismissione Riciclo materiali

energia

materiali

Introduzione al Computer Aided Design

PLM

CAD CAE CAPP

Fasi di Progettazione

6

Pianificazione

del processo di

produzione

Progetto

esecutivo

Progetto

concettuale

Verifica su

Prototipo

Progetto di

massima

Produzione

Tim

e to M

ark

et

In progettazione la richiesta del mercato si definisce in modo sempre più dettagliato fino a diventare un insieme di disegni costruttivi per fabbricare e assemblare ogni componente del prodotto finito.

Il Time to Market è il tempo necessario a lanciare sul mercato un nuovo prodotto/modello.

Il computer promuove la riduzione del time to market aiutando:

–nella stesura dei vari tipi di progetto

–nella verifica anticipata di quello che può accadere in esercizio

–nella gestione delle informazioni tra I vari comparti lavorativi

Introduzione al Computer Aided Design

Esempi di CAD e Iter Progetto

Introduzione al Computer Aided Design

1

6

Costruzione

Prototipo e

verifica

sperimentale

2 Progetto

Componente 3

Verifica

Strutturale

4

5 Studio

assemblabilità

Sì, ma cos’è un sistema CAD?

I sistemi CAD sono applicazioni informatiche di alto livello in grado di gestire e integrare in tempo reale:

librerie di modellazione geometrica in 2 e 3D

computer grafica di restituzione e navigazione del modello geometrico 3D

sistemi di puntamento e interfaccia grafica interattiva

gestione e archiviazione dati e metadati

Integrabili/integrati con programmi :

di calcolo numerico per l’ottimizzazione e la simulazione fisica di esercizio e produzione (=prototipazione virtuale)

di gestione della conoscenza ingegneristica di supporto ad attività altamente specializzate

– applicazioni CAD di tipo verticale (ad es. per progetto saldature, lamiere, …,

– applicazioni di tipo Knowledge Based Design (=sistemi esperti)

8 Introduzione al Computer Aided Design

Evoluzione storica del CAD

Si è sviluppato e cresce insieme alle evoluzioni hardware e software dell’informatica:

Anni ’50-’60: prime applicazioni di interattività uomo-macchina (IBM c/o General Motors, progetto Sketchpad@MIT); sviluppo di computer per elaborazioni di disegno computerizzato; sviluppo del calcolo numerico per verifiche strutturali; sviluppo di linguaggi di programmazione macchine utensili (APT).

Anni ’60-’70: sviluppo del Computer Aided Drafting (disegno 2D di dettaglio, prime ottimizzazioni di interfaccia grafica – refresh, panning, zooming su terminali con acceleratori grafici).

Anni ’70-’80: inizio del disegno 3D di tipo reticolare (wireframe) e di surface modeling.

Anni ’80-’90: sviluppo della modellazione solida, B-rep e C-rep (Boundary e Constructive Representation), volumi CSG (Constructive Solid Geometry).

9 Introduzione al Computer Aided Design

Evoluzione storica del CAD Anni ’90-2010: Modellazione solida di tipo “variazionale parametrico” (feature based design), NURBS surface.

… e poi?

Piena integrazione tra verifiche fisiche e ambiente virtuale

Realtà virtuale e realtà aumentata per:

la progettazione collaborativa (collaborative design)

prototipazione virtuale nuove modalità di interfaccia uomo-macchina

10 Introduzione al Computer Aided Design

Introduzione al Computer Aided Design 11

Per Human 3D Interactive Interface si veda ad esempio:

https://www.youtube.com/watch?v=Tw1mXjMshJE

Per Realtà Aumentata si veda ad esempio:

Addestramento Manutenzione – BMW

Nel settore architettonico e nel marketing l’interazione reale/virtuale è

già in uso da molto, si pensi ad esempio ai configuratori degli interni

degli autoveicoli:

Configuratore arredo spazi interni

Competenze richieste

Come ingegneri industriali:

solida conoscenza della fisica e delle interazioni tra diversi ambiti disciplinari (meccanica del continuo e reologia dei materiali, fluidodinamica e resistenza strutturale, elettronica e meccanica, …)

conoscenza dello stato dell’arte tecnico per saper vagliare scelte e soluzioni con spirito critico e evitare … di scoprire l’acqua calda!

Continuo aggiornamento dei progressi tecnologici per comprendere come accelerare attraverso il CAD il processo di sviluppo di nuovi prodotti/tecnologie industriali

Come ricercatori/sviluppatori:

Conoscenza dei sistemi informatici software e hadrware

Capacità di programmazione (in diversi linguaggi)

Buona conoscenza della geometria computazionale, del calcolo numerico, …

12

Introduzione al Computer Aided Design

La modellazione solida parametrica

basata sui concetti del “feature based”

A seguire si richiamano i concetti di base della modellazione

feature based per introdurre alcuni esempi di progettazione

parametrica “knowledge-based” o “knowledge-driven”

Un’altra applicazione avanzata della modellazione

parametrica in supporto al progetto esecutivo è la creazione

delle famiglie di parti

In entrambi i casi si sfrutta la parametrizzazione e la struttura

ad albero delle geometrie per indirizzare e automatizzare la definizione di quote e dettagli di forma non in via interattiva

ma tramite processi di selezione definiti a monte.

In questo modo non si è costretti a disegnare ex novo,

modifiche per “nuovi calcoli” o per lievi variazioni di dettaglio.

Introduzione al Computer Aided Design 13

Il modello solido

La base di ogni CAD è la creazione dei modelli solidi ovvero dei componenti 3D virtuali del progetto.

Distinguiamo modelli solidi di componente e assiemi e ciascuno potrà avere valenza:

Concettuale Di massima

Esecutiva o costruttiva

Un modello solido si può realizzare secondo diverse procedure.

Una delle vie più efficaci e quella basata sulla modellazione parametrica, ovvero sul concetto di:

feature geometrica

Una feature geometrica è una caratteristica di forma che descrive un dettaglio 3D di un volume (uno scavo rettangolare o assialsimmetrico, una sporgenza, una particolare simmetria).

14 Introduzione al Computer Aided Design

Il modello solido

In meccanica la funzionalità di un componente è strettamente legata alla sua forma.

Le dimensioni invece sono definite in primis dalla resistenza alle sollecitazioni a cui è sottoposto, ovvero ai vincoli di prestazione richiesti (potenza, ingombri, …).

La modellazione solida feature based aiuta il progettista sviluppando forme di tipo parametrico ovvero scalabili/adattabili in funzione delle prestazioni richieste.

15

- corpo assialsimmetrico di sezione

variabile per consentire il corretto

posizionamento degli organi di

trasmissione (ruote dentate, cuscinetti,

volani, giunti, …)

- con lavorazioni di scavo di dettaglio per

alloggiamenti di elementi di bloccaggio e

creazione di raccordi/smussi

Albero di trasmissione

Introduzione al Computer Aided Design

Il modello solido

Ogni componente può essere visto come la composizione di costruzione geometriche che aggiungono e sottraggono volumi fino ad ottenere la forma voluta.

16

A Feature globale

B Feature di

scavo locale

B

D Feature di

scavo locale

D

C Feature di

scavo locale

C

E Raccordo E

Introduzione al Computer Aided Design

Tipologie di Feature

Introduzione al Computer Aided Design

Le feature basilari aggiungono oppure tolgono

materiale e si distinguono in

protusioni

di estrusione normale

di rivoluzione

di scorrimento

scavi

Tipologie di Feature

Introduzione al Computer Aided Design

Alle feature basilari si aggiungono poi lavorazioni più specifiche

quali:

fori e filettature nervature spessoramento

feature di dettaglio: raccordi, smussi

Operazioni di

semplificazione quali

copiatura e

replicazione 3D secondo percorsi

assegnati

Feature di

partenza

(estrusione)

Percorso di

replicazione

circolare ogni

60°

Criteri per la scelta delle feature

Per la scelta della sequenza di feature non esiste una sola possibilità, ma tra le tante possibili ce ne sono alcune ottimali dal punto di vista ingegneristico.

La modellazione è bene che proceda “mimando” la lavorazione tecnologica di fabbricazione:

si parte da un semilavorato ottenuto con feature di aggiunta di volume

si procede attraverso scavi globali, poi con gli scavi locali e infine con le operazioni di rifinitura e completamento (fori, raccordi, smussi)

19 Introduzione al Computer Aided Design

Esempio: corpo scatolato a parete sottile

A. Estrusione

normale di volume B. Scavo per

spessoramento

Realizzato in plastica

per stampaggio a

iniezione

Come si realizza una feature

I volumi associati a ciascuna feature si ottengono partendo da profili disegnati nel piano a cui si associa la 3° dimensione attraverso:

Scorrimento lungo la direzione normale al profilo

Rotazione del profilo attorno un asse contenuto nel piano del profilo

Operazioni preassegnate in base alla specifica feature di dettaglio richiesta:

– Lo spessoramento svuota ortogonale alla faccia fino a lasciare lo spessore di parete richiesto

– La foratura scava secondo l’asse di rivoluzione la forma di foro prevista partendo dal diametro nominale (come fosse una punta di trapano)

– Il raccordo toglie materiale secondo un arco di circonferenza di 90° tangente alle superfici

– ….

La 3° dimensione è detta anche estensione della feature

20 Introduzione al Computer Aided Design

Come si realizza una feature

Il disegno dei profili è pilotato dai vincoli geometrici

Che vanno definiti in modo tale da rendere “stabile” la figura. Stabile=non modificabile in geometria ma solo in proporzioni.

In questo modo si lascia ai vincoli dimensionali la “scalatura” delle proporzioni.

Quali sono i vantaggi di questa strategia?

•Drastiche modifiche dimensionali non danneggiano il disegno perché la forma dei profili resta invariata.

•Le feature figlie di feature precedenti non subiscono “errori” perché la feature genitrice non è più correttamente definita.

Esercizio:

Sapresti dire come si verificano gli errori di definizione feature in un modello?

N.B. Ogni dimensione all’interno del CAD è una variabile accessibile – basta quotarla. Ogni feature, tranne la prima di partenza, può essere disattivata generando varianti di progetto.

21 Introduzione al Computer Aided Design

Progettazione parametrica knowledge driven

Nel progetto di sistemi composti da più di un componente o di componenti

complessi la definizione delle forme può richiedere diverse modifiche

successive dettate dal rispetto di più vincoli progettuali o di fabbricazione.

Il disegno solido dei componenti basato sulla parametrizzazione delle quote

può ridurre i tempi di modifica e aiutare nella visione di diversi scenari di

progettazione.

Per parametrizzare il disegno le dimensioni del profilo e le estensioni della

feature sono definite come variabili associabili tra loro attraverso formule che

possono automatizzare la procedura dell’intento progettuale (di

dimensionamento, di vincolo, di competenza tecnologica).

Questa possibilità può essere vista come una versione elementare di disegno

secondo criteri “knowledge based” di tipo generale (o “orizzontale”,

“multipurpose”). Infatti in questo modo la conoscenza tecnica, qualunque sia

la sua natura, guida le proporzioni del disegno. Si chiamano invece

applicazioni verticali quelle che specializzano uno specifico ambito di progetto

(ad es. il progetto di componenti stampati, saldati, per fusione,…) fornendo

feature e feature specificamente pensate per l’applicazione.

N.B. nulla vieta di usare la parametrizzazione per creare una propria

applicazione verticale!

N.B. il concetto di knowledge based design si estende e trova piena

applicazione interlacciando il disegno a criteri di ottimizzazione in grado di

supportare il progettista verso soluzioni ottimali. Metodologie di Progettazione Avanzata

F. Campana

Esempio

La messa a punto di una procedura basata sui parametri dimensionali del

disegno può essere distinta in due fasi:

1. La definizione delle formule di progetto

2. La definizione di un modello “geometricamente stabile” (ovvero

opportunamente vincolato)

A seguire si illustrano questi concetti mediante lo sviluppo di un esempio

In questo caso le forme ottimali dal

punto di vista della sollecitazione

prevedono:

-Forma a doppio T a sezione

crescente per la zona L1

- Forma cilindrica (cava o no) a

sezione variabile per la parte L2

Si modellino i due elementi della struttura in forma parametrica funzionale

in modo tale da automatizzare le dimensioni in funzione del carico

applicato. Metodologie di Progettazione Avanzata

F. Campana

Software: SolidEdgeST7

F

a

b b’

c

(1) Mt_bc=Fxbraccio

Mf_c=FxL2

T_c=F (trascurata)

(2) braccio=L1-b’b

Mf_b=Fxbraccio

T_b=-F (trascurata)

Definizione delle formule di progetto

Tratto L1 massima sollecitazione in b (flessione, taglio)

Tratto L2 massima sollecitazione in c (torsione, flessione

e taglio)

- Da (1) si trova Diam_c con formule per caso statico flessione +

torsione, criterio tau max (vedi foglio xls allegato – DesignTable.xls)

e Diam_b con formula per torsione

- cc’ da definirsi per inserimento nel vincolo

c c’ b

25

6,5 6,5

b1/2

b1/2

D_

bfo

ro

h1

- Sezione in b definita tramite dimensionamento in b di L1 con processo iterativo:

Mf_b/Wf=sigma_amm

1. Fisso spessore e trovo h sezione rettangolare minima Wf= Sxh_min/6

2. Ridistribuisco h_min a cavallo del foro in b: h_max=Diam_b+h_min

N.B. spostando le masse all’esterno non commetto un grosso errore perché

la flessione al centro è minima.

3. Ipotizzo una sezione a doppio T cercando iterativamente l’equivalenza di Wf*h_max/2

b

Definizione del modello F 600 N

L_1 200 mm

L_2 300 mm

sigma_limite 280 N/mm^2 assunto/requisito di progetto

X_coefSic 1.15 assunto

sigma_amm 243.4783 N/mm^2

Racc 15 mm raccordo in b per definire b'b

braccio 185 mm Valore iterativo braccio=L1-Racc

Mt_c 120000 Nmm

Mf_c 180000 Nmm

Dc 20.84304 mm

Dc 21 mm R Feature1 BC in C 10.5 mm

Db 18 mm R Feature1 BC in B 9 mm

c'c 20 mm assunto

L_bc 260 mm lunghezza Feature1 BC 260 mm

Metodologie di Progettazione Avanzata

F. Campana

Definizione del modello

Metodologie di Progettazione Avanzata

F. Campana

Mf_b 111000 Nmm

Wf_b 455.8929 mm^3 Wf_b=bh^2/6 cerco la sezione rettangolare equivalente

h_max 30 mm

b_max 30 mm

b 24 mm assunto 11

h 11 mm 24 18

h_eff 29 mm fare check con h_max 24

h_eff_check OK mm se OK 29 mm 29

I 2507.411 mm^4

spessore_b 2 mm assunto

spessore_h 2 mm assunto 11

b1 22 mm 2

h 30 mm assunto 18 11

h1 26 mm 2 26 2

I_effettivo 20805.33 mm^4

Wf_effettivo 1387.022 mm^3

Wf_check OK se OK Feature1&2 AB

R=h/2 15 mm

Profondita=b 24 mm

Profondita_scavo=b1/2 11 mm

R_scavo=h1/2 13 mm

lbraccio 185

Definizione del modello

Metodologie di Progettazione Avanzata

F. Campana

Per esercitarsi sfruttare i file già impostati.

Ovviamente il percorso del file xls va ridefinito usando la gestione dei

collegamenti (opzione software)

Il progetto a questo punto non è ancora esecutivo, sapresti dire cosa manca? -Fermo AB rispetto BC (scanalatura anulare dopo bb)

-Spessori e interferenze bb e cc in funzione dei carichi

-Rugosità e tolleranze, messa in tavola Metodologie di Progettazione Avanzata

F. Campana

Product Data Management (PDM)

Product LifeCycle Management (PLM)

Dal punto di vista de progettista i disegni e i report

di calcolo sono i due tipi di documento necessari a

formalizzare il lavoro svolto.

Dal punto di vista aziendale le cose sono più

complesse, soprattutto se si parla di prodotti e non

di singoli componenti:

Il prodotto nasce dal design di più sottoinsiemi (ognuno

avrà i suoi calcoli, disegni di massima, disegni esecuti di

componente e assieme)

Il prodotto ha un ciclo di vita e in ogni step ci sono

documenti e dati da raccogliere e archiviare

PDM/PLM e i più recenti strumenti di collaborative design

servono a gestire la banca dati dei prodotti, sotto ogni

punto di vista 29 Metodologie di Progettazione Avanzata

F. Campana

Product Data Management

Product LifeCycle Management

Dal punto di vista de progettista i disegni e i report di calcolo sono i due tipi di documento necessari a formalizzare il lavoro

svolto.

Dal punto di vista aziendale le cose sono più complesse,

soprattutto se si parla di prodotti e non di singoli componenti:

Il prodotto nasce dal design di più sottoinsiemi (ognuno avrà i

suoi calcoli, disegni di massima, disegni esecuti di componente e

assieme)

Il prodotto ha un ciclo di vita e in ogni step ci sono documenti e

dati da raccogliere e archiviare

PDM/PLM e i più recenti strumenti di collaborative design

servono a gestire la banca dati dei prodotti, sotto ogni punto

di vista

PDM rappresenta gli strumenti di gestione dati prodotto (per lo più nella fase di sviluppo prodotto-processo). PLM è spesso

inteso come la strategia di gestione integrata dei documenti

di tutta la vita del prodotto. 30 Metodologie di Progettazione Avanzata

F. Campana

Product Data Management

Product LifeCycle Management

Funzionalità di base di un PDM

Gestione del workflow di progetto con individuazione delle

risorse (tempi e persone) e programmazione attività

Gestione dei file di progetto: archiviazione e annotazione

stato (in lavorazione, obsoleto, rilasciato) di file componente e prodotto

Gestione delle modifiche di configurazione prodotto:

creazione famiglie di parti e varianti di progetto (dal punto

di vista della fase di progetto, ovvero documentazione storia file e reportistica di supporto al progetto)

Gestione della struttura del prodotto: interrogazione e

creazioni report dal punto di vista dell’intero ciclo di vita

Classificazione informazioni per strumenti di ricerca

nell’archivio dati

31 Metodologie di Progettazione Avanzata

F. Campana

Product Data Management

Product LifeCycle Management

Funzionalità di utilità:

Link di notifica e comunicazione immediata alle persone

coinvolte se si modifica lo stato di un documento

Tool di trasferimento e conversione dati se l’informazione

deve scorrere da un comparto all’altro

Visualizzazione in modalità preliminare, con la possibilità di

annotare e commentare il lavoro

Amministrazione archivio per back up, gestione accessi

La gestione dei dati avviene con architetture

server/client. Il server fa da “Vault” delle informazioni. Nei

salvataggi ogni prodotto ha un codice specificatamente

assegnato che indica tipo e versione ed i suoi componenti

rappresentano gli “item” del prodotto. Item e documenti

collegati hanno nomi ancorati al prodotto a cui

appartengono. 32 Metodologie di Progettazione Avanzata

F. Campana

Ampliamento dei sistemi CAD alla

modellazione sincrona/variazionale diretta

La modellazione feature based con l’albero della geometria è

riconosciuta da sempre come garanzia di pulizia di lavoro,

offrendo un’organizzazione strutturata delle fasi di disegno con logiche conformi ai criteri di fabbricazione standard (ma

forse in odore di obsolescenza?).

L’interfaccia tra CAD e CAE spesso impone modifiche di

modelli solidi sulla base dei risultati “puntuali” (o locali) della mesh EF. Come fare la modifica senza “impattare” l’intero

modello?

Nella modellazione interdisciplinare (ad es. circuiti elettronici) i

solidi che compongono l’assieme (la scheda) sono estrusioni

locali di un disegno piano di insieme – non conviene definire

sequenzialmente i singoli profili di componente e poi

assemblarli, ma piuttosto estruderli a partire da un unico

disegno di pianta.

33 Metodologie di Progettazione Avanzata

F. Campana

Ampliamento dei sistemi CAD alla

modellazione sincrona/variazionale diretta

Il disegno solido variazionale diretto modifica localmente le

forme a prescindere dall’albero della sequenza di

lavorazione.

I dettagli di bordo, vertice e superficie sono accessibili come

equazione e quindi variabili in modo variazionale, locale.

Le ottimizzazioni basate sul concetto di morphing e l’uso del

CAD come plastilina si associano a questi tipi di modelli.

La lavorabilità delle superfici (ad es. con il CAM) è analizzata

e garantita con il feature recognition, ovvero con la verifica e

il riconoscimento delle superfici in base all’analisi delle

curvature.

34 Metodologie di Progettazione Avanzata

F. Campana