COMPUTER-AIDED DESIGN E di PRODUZIONE

Computer-aided design (CAD), noto anche come computer-aided design e (CADD), coinvolge l’intero spettro di disegno con l’aiuto di un computer da linee rette di animazione personalizzata. In pratica, il CAD si riferisce a software per la progettazione di soluzioni ingegneristiche e architettoniche, complete di funzionalità di modellazione bidimensionale e tridimensionale.

Computer-aided Manufacturing (CAM) implica l’uso di computer per aiutare in qualsiasi processo di produzione, compresa la produzione flessibile e la robotica. Spesso le uscite dai sistemi CAD fungono da ingressi ai sistemi CAM. Quando questi due sistemi funzionano insieme, il risultato è chiamato CADCAM e diventa parte del processo di produzione integrata al computer (CIM) di un’azienda.

I sistemi CADCAM sono destinati ad assistere in molte, se non tutte, le fasi di un ciclo di vita tipico del prodotto. Il ciclo di vita del prodotto prevede una fase di progettazione e una fase di implementazione. La fase di progettazione include l’identificazione delle esigenze e delle specifiche di progettazione; l’esecuzione di uno studio di fattibilità, documentazione di progettazione, valutazione, analisi e ottimizzazione; e il completamento del progetto stesso. La fase di implementazione include la pianificazione dei processi, la pianificazione della produzione, il controllo qualità, l’imballaggio, il marketing e la spedizione.

I sistemi CAD possono aiutare con la maggior parte dei processi di fase di progettazione, mentre i sistemi CAM possono aiutare con la maggior parte dei processi di implementazione. I contributi dei sistemi CAD e CAM sono descritti di seguito.

SISTEMI CAD

I sistemi CAD sono una forma specializzata di software di grafica e quindi devono rispettare i principi di base della programmazione grafica. Tutti i programmi di grafica funzionano nel contesto di un dispositivo grafico (ad esempio, una finestra su un monitor, una stampante o un plotter). Le immagini grafiche sono disegnate in relazione a un sistema di coordinate 2-D o 3-D, di cui esistono diversi tipi.

Un sistema di coordinate del dispositivo è 2-D e mappa le immagini direttamente ai punti (pixel) del dispositivo hardware. Al fine di facilitare la grafica indipendente dal dispositivo, un sistema di coordinate dispositivo virtuale astrae i punti 2-D in un quadro logico.

Naturalmente, i dispositivi in fase di progettazione sono generalmente oggetti 3D, che richiedono anche un sistema di coordinate mondiale per rappresentare lo spazio in cui risiedono gli oggetti e un sistema di coordinate modello per rappresentare ciascuno degli oggetti in quello spazio. Il software CAD include algoritmi per proiettare i modelli 3D sui sistemi di coordinate del dispositivo 2D e viceversa.

I sistemi CAD includono diverse funzioni di disegno primitive, tra cui linee, poligoni, cerchi e archi, rettangoli e altre forme semplici. Da queste primitive, i compositi 3-D possono essere costruiti e includono cubi, piramidi, coni, cunei, cilindri e sfere. Queste forme possono essere disegnate in qualsiasi colore e riempite con colori solidi o altri motivi (chiamati tratteggio). Inoltre, le forme di base possono essere modificate sfilettando (arrotondando) o smussando (segmentazione della linea).

Sulla base della manipolazione di forme di base, i progettisti costruiscono modelli di oggetti. Un modello di forma del filo scheletrico è una rappresentazione 3D che mostra tutti i bordi e le caratteristiche come linee. Un modello dall’aspetto più realistico è chiamato modello solido, che è un modello 3D dell’oggetto progettato come un insieme unitario che non mostra caratteristiche nascoste. Il modello solido rappresenta un volume chiuso. Include informazioni sulla superficie e dati che determinano se il volume chiuso contiene altri oggetti o funzionalità.

La modellazione solida comporta funzioni per la creazione di forme 3D, combinando forme (tramite operazioni di unione, intersezione e differenza), spazzamento (traslazionale e rotazionale) per convertire forme semplici in forme più complesse, skinning (per la creazione di trame superficiali) e varie funzioni di creazione di confini. La modellazione solida include anche la parametrizzazione, in cui il sistema CAD mantiene un insieme di relazioni tra i componenti di un oggetto in modo che le modifiche possano essere propagate alle seguenti costruzioni.

Le forme comuni sono costruite in caratteristiche (ad es., slot, fori, tasche), che possono quindi essere inclusi in un modello solido di un oggetto. La rappresentazione delle funzionalità aiuta l’utente a definire le parti. Semplifica anche la progettazione del software CAD perché le funzionalità sono più facili da parametrizzare rispetto alle interazioni esplicite. Gli oggetti creati da caratteristiche sono chiamati parti. Poiché un prodotto in fase di progettazione è composto da più parti, molti sistemi CAD includono un modello di assemblaggio utile, in cui le parti sono referenziate e le loro relazioni geometriche e funzionali sono memorizzate.

I modelli CAD possono essere manipolati e visualizzati in un’ampia varietà di contesti. Possono essere visualizzati da qualsiasi angolazione e prospettiva desiderata, spezzati o affettati e persino sottoposti a test di simulazione per analizzare punti di forza e difetti di progettazione. Le parti possono essere spostate all’interno dei loro sistemi di coordinate tramite operazioni di rotazione, che forniscono diverse prospettive di una parte, e traduzione, che consente alla parte di spostarsi in posizioni diverse nello spazio di visualizzazione. Inoltre, i sistemi CAD forniscono una preziosa funzionalità di dimensionamento, che assegna i valori delle dimensioni in base al disegno del progettista.

Il movimento di queste immagini è una forma di animazione. Spesso, i sistemi CAD includono la tecnologia di realtà virtuale, che produce immagini animate che simulano un’interazione del mondo reale con l’oggetto progettato. Ad esempio, se l’oggetto è un edificio, il sistema di realtà virtuale può consentire di visualizzare la scena come se si stesse camminando all’interno e all’esterno dell’edificio, consentendo di visualizzare dinamicamente l’edificio da una moltitudine di prospettive. Al fine di produrre effetti realistici, il sistema deve rappresentare gli effetti attesi della luce che si riflette sulla superficie mentre si muove attraverso lo spazio di visualizzazione dell’utente. Questo processo è chiamato rendering.

La tecnologia di rendering include servizi per ombreggiatura, riflessione e ray tracing. Questa tecnica, che viene utilizzata anche nei videogiochi sofisticati, fornisce un’immagine realistica dell’oggetto e spesso aiuta gli utenti a prendere decisioni prima di investire denaro nella costruzione di edifici. Alcune interfacce di realtà virtuale coinvolgono più di semplici stimoli visivi. Infatti, permettono al progettista di essere completamente immerso nell’ambiente virtuale, sperimentando l’interazione cinestetica con il dispositivo progettato.

Alcuni sistemi CAD vanno oltre l’assistenza nella progettazione delle parti e includono effettivamente funzionalità per testare un prodotto contro le sollecitazioni nell’ambiente. Utilizzando una tecnica chiamata metodo degli elementi finiti (FEM), questi sistemi determinano stress, deformazione, trasferimento di calore, distribuzione del campo magnetico, flusso di fluido e altri problemi di campo continuo.

L’analisi degli elementi finiti non riguarda tutti i dettagli di progettazione, quindi al posto del modello solido completo viene utilizzata una mesh. La generazione di mesh comporta il calcolo di un insieme di elementi semplici che forniscono una buona approssimazione della parte progettata. Un buon meshing deve risultare in un modello analitico di precisione sufficiente per il calcolo FEM, ma con un numero minimo di elementi al fine di evitare inutili complessità.

Oltre al FEM, alcuni sistemi CAD forniscono una varietà di tecniche di ottimizzazione, tra cui ricottura simulata e algoritmi genetici (presi in prestito dal campo dell’intelligenza artificiale). Questi metodi aiutano a migliorare la forma, lo spessore e altri parametri di un oggetto progettato soddisfacendo i vincoli definiti dall’utente (ad esempio, livelli di stress consentiti o limiti di costo).

Quando un progettista utilizza CAD per sviluppare un progetto di prodotto, questi dati vengono memorizzati in un database CAD. I sistemi CAD consentono un processo di progettazione in cui gli oggetti sono composti da sotto-oggetti, che sono composti da componenti più piccoli e così via. Pertanto i database CAD tendono ad essere orientati agli oggetti. Poiché i progetti CAD potrebbero dover essere utilizzati nei sistemi CAM o condivisi con altri progettisti CAD utilizzando una varietà di pacchetti software, la maggior parte dei pacchetti CAD garantisce che i loro database siano conformi a uno dei formati di dati CAD standard. Uno di questi standard, sviluppato dall’American National Standards Institute (ANSI), è chiamato Initial Graphics Exchange Specification (IGES).

Un altro formato di dati è DXF, che viene utilizzato dal popolare software AutoCAD e sta diventando uno standard industriale de facto. La capacità di convertire da un formato di file ad un altro è chiamato scambio di dati, ed è una caratteristica comune di molti pacchetti software CAD.

I moderni sistemi CAD offrono una serie di vantaggi a progettisti e aziende. Ad esempio, consentono agli utenti di risparmiare tempo, denaro e altre risorse generando automaticamente componenti standard di un progetto, consentendo il riutilizzo di componenti progettati in precedenza e facilitando la modifica del progetto. Tali sistemi prevedono anche la verifica dei progetti rispetto alle specifiche, la simulazione e la prova dei progetti e l’output dei progetti e della documentazione ingegneristica direttamente agli impianti di produzione. Mentre alcuni progettisti lamentano che i limiti dei sistemi CAD a volte servono a frenare la loro creatività, non c’è dubbio che sono diventati uno strumento indispensabile nella progettazione elettrica, meccanica e architettonica.

SISTEMI CAM

Il processo di produzione comprende la pianificazione dei processi, la pianificazione della produzione (che comprende l’approvvigionamento degli utensili, l’ordinazione dei materiali e la programmazione del controllo numerico), la produzione, il controllo qualità, l’imballaggio, il marketing e la spedizione. I sistemi CAM assistono in tutte le fasi tranne le ultime due di questo processo. Nei sistemi CAM, il computer si interfaccia direttamente o indirettamente con le risorse produttive dell’impianto.

La pianificazione del processo è una funzione di produzione che stabilisce quali processi e parametri devono essere utilizzati, nonché le macchine che eseguono questi processi. Ciò comporta spesso la preparazione di istruzioni di lavoro dettagliate alle macchine per il montaggio o la produzione di parti. I sistemi CAPP (Computer-aided Process Planning) aiutano ad automatizzare il processo di pianificazione sviluppando, in base alla classificazione familiare della parte prodotta, una sequenza di operazioni necessarie per produrre questa parte (a volte chiamata routing), insieme a descrizioni testuali del lavoro da svolgere in ogni fase della sequenza. A volte questi piani di processo sono costruiti in base ai dati dei database CAD.

La pianificazione dei processi è un problema di pianificazione difficile. Per una procedura di produzione complessa, potrebbe esserci un numero enorme di possibili permutazioni di attività in un processo che richiede l’uso di sofisticati metodi di ottimizzazione per ottenere il miglior piano di processo. Tecniche come gli algoritmi genetici e la ricerca euristica (basata sull’intelligenza artificiale) sono spesso impiegate per risolvere questo problema.

L’applicazione CAM più comune è il controllo numerico (NC), in cui le istruzioni programmate controllano le macchine utensili che macinano, tagliano, fresano, punzonano o piegano le scorte grezze in prodotti finiti. Spesso il NC inserisce le specifiche da un database CAD, insieme a informazioni aggiuntive dall’operatore della macchina utensile. Una tipica macchina utensile NC include un’unità di controllo della macchina (MCU) e la macchina utensile stessa. L’MCU include un’unità di elaborazione dati (DPU), che legge e decodifica le istruzioni da un programma di parti, e un’unità di loop di controllo (CLU), che converte le istruzioni in segnali di controllo e gestisce i meccanismi di azionamento della macchina utensile.

Il programma del pezzo è un insieme di istruzioni che contengono informazioni geometriche sulla parte e informazioni sul movimento su come l’utensile da taglio dovrebbe muoversi rispetto al pezzo. Velocità di taglio, velocità di avanzamento e altre informazioni sono specificate anche per soddisfare le tolleranze delle parti richieste. La programmazione parziale è un’intera disciplina tecnica in sé, che richiede un linguaggio di programmazione sofisticato e punti di riferimento del sistema di coordinate. A volte i programmi di parti possono essere generati automaticamente da database CAD, dove le specifiche geometriche e funzionali del progetto CAD si traducono automaticamente nelle istruzioni del programma parti.

I sistemi di controllo numerico si stanno evolvendo in una tecnologia più sofisticata chiamata prototipazione rapida e produzione (RP & M). Questa tecnologia prevede tre fasi: formare sezioni trasversali degli oggetti da produrre, posare sezioni trasversali strato per strato e combinare gli strati. Questo è un approccio alla produzione senza utensili reso possibile dalla disponibilità di sistemi CAD di modellazione solidi. RP & M viene spesso utilizzato per valutare i progetti, verificare le specifiche funzionali e il reverse engineering.

Naturalmente, i sistemi di controllo delle macchine sono spesso utilizzati in combinazione con la tecnologia robotica, facendo uso di intelligenza artificiale e capacità fisiche umanoidi controllate dal computer (ad esempio, destrezza, movimento e visione). Questi” colletti d’acciaio ” aumentano la produttività e riducono i costi sostituendo i lavoratori umani in ambienti ripetitivi, banali e pericolosi.

I sistemi CAM spesso includono componenti per automatizzare la funzione di controllo qualità. Si tratta di valutare le specifiche di prodotto e di processo, testare i materiali in entrata e i prodotti in uscita e testare il processo di produzione in corso. I sistemi di controllo qualità spesso misurano i prodotti che escono dalla catena di montaggio per garantire che rispettino le specifiche di tolleranza stabilite nei database CAD. Producono report di eccezione per i responsabili della catena di montaggio quando i prodotti non soddisfano le specifiche.

In sintesi, i sistemi CAM aumentano l’efficienza produttiva semplificando e automatizzando i processi di produzione, migliorano l’utilizzo degli impianti di produzione, riducono gli investimenti nelle scorte di produzione e, infine, migliorano il servizio clienti riducendo drasticamente le situazioni di esaurimento.

METTERE TUTTO INSIEME: COMPUTER INTEGRATED MANUFACTURING

In un sistema CADCAM, una parte viene progettata sul computer (tramite CAD) e trasmessa direttamente alle macchine utensili guidate dal computer che producono la parte tramite CAM. All’interno di questo processo, ci saranno molti altri passi computerizzati lungo la strada. L’intero regno di progettazione, movimentazione dei materiali, produzione e imballaggio è spesso definito come computer-Integrated manufacturing (CIM).

CIM include tutti gli aspetti di CAD e CAM, così come la gestione delle scorte. Per contenere i costi, le aziende hanno una forte motivazione a ridurre al minimo i volumi di magazzino nei loro magazzini. Le politiche di inventario just-in-time (JIT) stanno diventando la norma. Per facilitare questo, CIM include material Requirements planning (MRP) come parte della sua configurazione complessiva. I sistemi MRP aiutano a pianificare i tipi e le quantità di materiali che saranno necessari per il processo di produzione. La fusione di MRP con la programmazione della produzione e il controllo dell’officina di CAM si chiama manufacturing resource planning (MRPII). Pertanto, la fusione di MRP con CADCAM systems integra la produzione e le funzioni di controllo dell’inventario di un’organizzazione.

Le industrie di oggi non possono sopravvivere a meno che non possano introdurre nuovi prodotti con alta qualità, basso costo e tempi di consegna brevi. I sistemi CADCAM applicano la tecnologia di calcolo per rendere questi requisiti una realtà e promettono di esercitare una grande influenza sui processi di progettazione, ingegneria e produzione per il prossimo futuro.