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

1. Il fenomeno che caratterizza maggior-
mente il concetto di Industria 4.0 è
l’integrazione tra mondo virtuale dei
bit e mondo reale delle macchine,che
permette di realizzare oggetti,macchi-
ne, processi e sistemi intelligenti. La
disponibilità di software di progetta-
zione evoluto (computational design),
di nuovi processi di produzione (mani-
fattura additiva e ibrida) e nuovi ma-
teriali (fibre di carbonio, compositi e
super-polimeri), consente di integrare
e ottimizzare i processi di progetta-
zione e di produzione con modalità
impensabili fino a qualche anno fa.
Software di progettazione
tradizionale
La progettazione assistita dall’elabora-
tore (CAD) supporta dagli Anni ’70
l’attività di progettazione di manufatti,
sia virtuali che reali, attraverso l’utiliz-
zo della computer grafica, di potenti
programmi di calcolo strutturale e di
simulazione (prototipazione digitale).
Nell’ultimo decennio,il ciclo di sviluppo
dei prodotti è cambiato notevolmen-
te.Tradizionalmente, la maggior parte
dei processi iterativi di ottimizzazione
dei progetti aveva luogo nella fase di
prototipazione, mediante produzione,
prove e analisi di prototipi fisici, che
richiedevano notevoli tempi e costi. I
moderni cicli di sviluppo sono diventati
così compressi che non permettono
più di realizzare un completo processo
di prototipazione di tipo tradizionale
e hanno aumentato l’importanza dei
processi di verifica e validazione, sup-
portati dai software CAE (Computer
Aided Engineering), che aiutano i pro-
gettisti a comprendere il comporta-
mento dei prodotti e a risolvere po-
tenziali vulnerabilità in anticipo e con
costi minori.
La verifica assicura che il progetto sod-
disfi le specifiche,mentre la validazione
si accerta se il prodotto si comporta
nel modo corretto ed eventualmen-
te indica come modificare il progetto
per evitare richiami di prodotti, costi
di manutenzione in garanzia e scar-
sa soddisfazione dei clienti. I moderni
programmi di prototipazione digitale
possono arrivare fino alla creazione di
mondi virtuali che consentono di ve-
dere e di‘provare’ in contesti realistici
i prodotti prima ancora di costruire i
prototipi (es. simulatori di guida e di
macchine).
La progettazione integrata è resa
possibile dall’integrazione dei sistemi
CAD/CAE e CAM (Computer-Aided
Manufacturing) per la fabbricazione as-
sistita dal computer.In fabbrica,queste
tecnologie gestiscono macchine uten-
sili, stampanti 3D e robot, controllano
e ottimizzano i processi, effettuano si-
mulazioni e riducono il‘time to market’
dei nuovi prodotti.
I principali produttori delle piattaforme
CAD/CAE tradizionali sono Autodesk
(AutoCAD e Inventor),Dassault (Catia
e SolidWorks), McNeel (Rhino), PTC
(Creo) e Siemens (NX, SolidEdge).
Sono anche disponibili CAD freeware
e open source (LibreCAD, FreeCAD,
OpenSCAD, SketchUp).
Nuovi strumenti e metodi
di progettazione
Ai tradizionali software di progetta-
zione si sono affiancate alcuni nuovi
strumenti come il Design Generativo
e l’ottimizzazione strutturale e topolo-
gica.Il Design Generativo è un proces-
so di progettazione ‘per tentativi’ che
imita il processo di evoluzione della
natura. Si inseriscono gli obiettivi della
progettazione in un sistema generativo
- un sistema esperto spesso funzionan-
te in cloud basato su un modellatore
algoritmico e parametrico - che pro-
pone moltissime soluzioni alternative
e consente al progettista di trovare la
migliore soluzione in modo interat-
tivo per approssimazioni successive.
Questa nuova disciplina fu introdotta
alla fine degli Anni ’80 da Celestino
Soddu, docente del Politecnico di Mi-
lano, che implementò e sperimentò il
software generativo Argenia in grado
di generare modelli tridimensionali di
intere città e fondò il ‘Laboratorio di
Progettazione Generativa’ del Politec-
nico di Milano che si occupa di pro-
gettazione tecnica e di produzione
artistica (Generative Art).
I programmi di ottimizzazione strut-
turale/topologica e di prototipazione
digitale consentono di ottimizzare gli
COME CAMBIA LA RELAZIONE TRA
PROGETTAZIONE E PRODUZIONE
90 maggio 2017
Giancarlo Magnaghi
Consulente
g.magnaghi@studiomagnaghi.it
INDUSTRIA 4.0

2. oggetti in funzione dell’uso a cui sono
destinati: il materiale viene utilizzato
solo dove serve e possono anche es-
sere scelti i materiali più adatti in fun-
zione delle richieste dei progettisti per
trovare il migliore compromesso tra
peso, robustezza e costo.
Esempi di prodotti di nuova generazio-
ne sono Dreamcatcher, Fusion 360 e
Within di Autodesk (che sta investen-
do da alcuni anni nel design generativo
e nella stampa 3D per produrre oggetti
finiti ottimizzati), solidThinking Inspi-
re di Altair Engineering, ProjectWise
di Bentley, le piattaforma operativa
Predix di GE, NX di Siemens, Gene-
rate di Frustum e modeFrontier della
triestina Esteco.
Questi nuovi strumenti possono mi-
gliorare la qualità del progetto, l’effi-
cienza e le prestazioni a qualsiasi livello
e in qualsiasi settore: edifici, aerei, pro-
tesi mediche,arredamento,arte,design
e oggetti di uso comune. Per esempio,
Illy e Alessi hanno realizzato in colla-
borazione con il designer Michele de
Lucchi la caffettiera moka Pulcina con
l’aiuto del software modeFrontier, che
ha generato molte varianti progettua-
li da cui sono partiti i progettisti per
realizzare il prodotto finale.
Integrazione tra progettazione
e produzione
I maggiori produttori di software in-
dustriale si stanno muovendo verso
l’integrazione di progettazione e pro-
duzione tramite sistemi PLM (Product
Lifecycle Management ) in grado di
gestire tutto il ciclo di vita dei pro-
dotti sempre più potenti e di sfruttare
le nuove tecnologie produttive. Per
esempio, grazie all’integrazione con
la tecnologia di stampa 3D di Mate-
rialise, Siemens abiliterà processi di
fabbricazione additiva utilizzando sof-
tware NX con funzioni CAD/CAE/
CAM per ottimizzare l’intero ciclo di
sviluppo dalla progettazione alla pro-
duzione,riducendo fino al 30% il time-
to-market. Siemens collabora anche
con Stratasys e con HP nell’ambito
della tecnologia di stampa 3D Multi
Jet Fusion per l’industrializzazione del
processo additivo, con l’obiettivo di
stampare in 3D parti funzionali com-
poste da diversi materiali e in diversi
colori, con velocità fino a dieci volte
superiori e costi dimezzati rispetto
agli attuali sistemi.
Le piattaforme avanzate CAD/CAE/
CAM, unitamente alle nuove tecno-
logie produttive e ai nuovi materia-
li offrono agli ingegneri libertà nella
progettazione, possibilità di persona-
lizzazione, velocità senza precedenti,
e permettono di realizzare prodotti
con prestazioni migliori,più economici,
robusti e leggeri, che consentono di
migliorare anche l’efficienza energetica,
la tutela ambientale e di progettare e
produrre nell’ottica dell’economia cir-
colare.I programmi CAEA (Computer
Aided Eco-Auditing) consentono la
valutazione dell’impatto ambientale
dei prodotti e di supportare la lean
production,per minimizzare gli sprechi
produttivi, logistici e globali, suppor-
tando processi di produzione sempre
più perfezionati, automatici e in grado
di auto-ottimizzarsi analizzando i risul-
tati ottenuti e sperimentando nuove
modalità operative (Autonomous Ma-
nufacturing).
Nuovi materiali e tecniche
di assemblaggio
I sistemi evoluti di progettazione e
di produzione si avvalgono di nuovi
materiali con elevate caratteristiche,
come i materiali compositi FRP (Fiber
Reinforced Polymer) e MMC (Metal
Matrix Composite),i materiali cellulari
(honeycomb, schiume metalliche) e
sandwich, i compositi multifunzionali
e i materiali‘smart’. Con la stampa 3D
si riduce il peso mantenendo rigidità
e robustezza creando una struttura
interna a nido d’ape (honeycomb), o
utilizzando super-polimeri e compositi
più leggeri (Kevlar, fibra di vetro o di
carbonio) in alternativa ad alcuni me-
talli,con riduzione dei pesi del 20-40%.
Sono stati sviluppati nuovi collanti e
nuove tecniche di saldatura per unire
materiali ‘insaldabili’, come alluminio
con alluminio o con acciaio, che per-
mettono di evitare bulloni e rivetti.
Ridurre il peso a parità di proprietà
meccaniche e fisiche produce bene-
fici in molti campi, dall’aerospaziale
alle automobili alle strutture di pon-
ti e macchinari, poiché permette di
risparmiare materie prime, migliora
l’efficienza energetica, riduce il con-
sumo di carburanti e quindi l’inquina-
mento, diminuisce i costi di trasporto
e montaggio. Per ogni chilo di mate-
riale risparmiato in un aeromobile, si
risparmiano ogni anno oltre 100 kg
di carburante. Nelle automobili, una
diminuzione del peso del 10% può
diminuire i consumi del 3% e miglio-
rare le prestazioni.
Nel futuro saranno disponibili nuo-
vi materiali e tecnologie emergenti,
come le nanoparticelle di carbonio
(nanotubi di carbonio e grafene) e la
produzione additiva multi-materiale in
cui gli ingegneri dei materiali saranno in
grado di progettare le caratteristiche
dei materiali digitali ottimizzati ad-hoc
per i componenti da produrre con le
stampanti 3D.
91maggio 2017
INDUSTRIA 4.0
La caffettiera moka Pulcina realizzata
da Alessi e Illy in collaborazione con
il designer Michele de Lucchi utilizzando
un software progettazione generativa