Un nuovo approccio con BricsCAD Mechanical

Pubblicato con il permesso di upFront.eZine

articolo originale (in inglese): link

Martedì, 9 Giugno 2015

Opinione di Dmitry Ushakov

Ho letto con grande interesse  l'editoriale di John Callen sul CAM [computer-aided manufacturing] e Onshape  (upFront.eZine#856). Il signor Callen sottolinea che i sistemi CAD, ancora oggi, si concentrano sulla definizione della geometria trascurando il contesto che può effettivamente produrre/realizzare i suoi progetti. Concordo con Callen sul fatto che è un peccato che Onshape non abbia affrontato le esigenze della produzione. E così vorrei esprimere i miei pensieri sul motivo dell'esistenza di questa situazione, sulla base delle mie esperienze in collaborazione con i costruttori di macchine utensili e fornitori CAM.

La maggior parte dei moderni programmi CAD implementano uno dei due approcci alla modellazione 3D: History-based  ed history-free, anche chiamata "modellazione diretta". I termini, purtroppo, non riflettono la tecnologia sottostante. Vi è una differenza fondamentale tra i due, ed è il modo in cui rendono possibile la modifica della geometria:

• History-based:  le modifiche costringono la rigenerazione della geometria riproducendo la storia dell'intero disegno
• Modellazione diretta: le modifiche vengono effettuate a livello locale senza alcuna relazione con la storia del designo

I sistemi CAD History-based dominano il mercato CAD dal 1987, quando Pro/ENGINEER ha aperto la strada al mondo del disegno parametrico. Più di recente, la maggior parte delle soluzioni CAD 3D sono state introdotte o riscritte per sfruttare la modellazione diretta. L'elenco comprende SpaceClaim, tecnologia sincrona del software Siemens PLM, Autodesk’s Fusion 360, e BricsCAD. Ma Onshape è un CAD history-based. Dal punto di vista della modellazione, è solo un altro Solidwork ma che non ha avuto successo.

Al giorno d'oggi, le differenze tra i due tipi di CAD si sono ridotte. Alcune operazioni limitate di modifica diretta (come lo spostamento di una faccia), possono essere registrate in una struttura della storia, mentre la modellazione parametrica per caratteristiche (feature) può essere implementata in un contesto privo di storia. Ma il problema principale inerente ai CAD history-based persiste: i CAD history-based non possono risolvere i problemi della produzione.

In questo articolo, ho descritto i pro ed i contro delle soluzioni inventate dal settore CAD:

• CAD History-based
• Caratteristiche Locali in CAD History-Free
• Modellazione Parametrica nei CAD History-Free

Attraverso questa discussione, spero di dimostrare che gran parte della tecnologia impiegata da molti sistemi CAD, affronta raramente le esigenze della produzione. In primo luogo, una descrizione dei problemi affrontati dal settore manifatturiero, creati dal CAD.

Il problema: Malformazione Congenita

Una proprietà inseparabile della modellazione history-based è che richiede all'autore del modello 3D di prevedere tutte le modifiche future. Io chiamo questo comportamento "malformazione congenita" - alla nascita del modello, le informazioni necessarie sono sconosciute. Se una modifica futura non è stata prevista, è possibile introdurla solo con una totale o parziale riprogettazione del modello. Questo è il prezzo pagato dagli utenti dei sistemi CAD History-based e le relative funzioni parametriche.

Questo ha importanti conseguenze per la produzione. Quando i modelli 3D finiti vengono consegnati alla produzione, gli ingegneri del settore, in genere, hanno bisogno di modificare i disegni prima che possano essere inviati alle macchine CNC [Computer a Controllo Numerico]. Le uniche modifiche che possono essere fatte, tuttavia, sono solo quelle previste dai progettisti. I progettisti raramente capiscono nel dettaglio i processi di produzione, soprattutto quando la produzione è in outsourcing.

Anche se i progettisti comprendono i problemi della produzione, come possono i sistemi CAD History-based aiutarli? Non possono. Per fare un esempio, prendiamo le Macchine Piegatrici a Controllo Numerico. In un flusso di lavoro semplificato, la produzione riceve i modelli 3D dai progettisti. Gli operatori CNC sviluppano i modelli, impostano le operazioni di piegatura, selezionano gli strumenti di piegatura specifici per ogni piega, e poi simulano il processo di piegatura in 3D: dal modello appiattito iniziale alla parte finale piegata. Se viene rilevato un errore, il disegno della parte deve essere modificato; per esempio, ci potrebbe essere un conflitto del materiale durante la piegatura.

La rielaborazione del disegno è sempre possibile; la stessa parte di lamiera può essere realizzata in molti modi diversi. (Vedi Figura 1.)

Figura 1 
diverse varianti della stessa parte in lamiera

Gli operatori CNC hanno bisogno di un modo per passare facilmente tra le varianti possibili. Quali tra i moderni sistemi CAD forniscono questi strumenti? Diamo uno sguardo alle tecnologie disponibili.

Una soluzione: CAD History-Based

Onshape non ha (ancora) un modulo per la progettazione della lamiera, così diamo un'occhiata al lavoro dallo stesso team in Solidworks. La progettazione della lamiera è stata aggiunta nel 1997, e poi per i successivi dodici anni gli strumenti sono stati limitati alla progettazione di parti flangia-by-flangia. (O, anche in un modo più difficile, piegando una parte piana lungo una determinata linea). Forse va abbastanza bene per i progettisti, ma l'unico modo per rielaborare una parte di lamiera esistente creata con questo approccio flangia-by-flangia è riprogettare da zero.

Le versioni più recenti di Solidworks consentono ai progettisti di convertire i corpi solidi 3D in parti in lamiera. La decisione se sostituire gli spigoli del corpo iniziale con piegature o giunzioni viene presa durante la conversione e quindi queste istruzioni vengono memorizzate nella struttura della storia. Questo approccio consente ai progettisti di passare tra le varianti di disegno della stessa parte, modificando le corrispondenti caratteristiche "Converti in Lamiera" nella struttura. L'approccio flangia-by-flangia è, tuttavia, ancora il modo migliore per progettare le parti in lamiera, secondo la Guida in Linea delle recenti versioni di SolidWorks.

Ma che dire di quelle parti di lamiera create in SolidWorks 2008 e precedenti? E che dire delle parti di lamiera create in altri sistemi CAD? L'unico modo per rielaborarle, utilizzando un CAD history-based è quello di riprogettare da zero la parte Ma c'è una soluzione migliore alla riprogettare da zero.

Una soluzione: Caratteristiche Locali nei CAD History-Free

La modellazione basata sulle caratteristiche (feature), è un concetto fondamentale per la progettazione e produzione. Non deve essere esclusivamente associato ai CAD history-based, perché può anche essere implementato sui modellatori diretti. Ecco come le caratteristiche sono influenzate dai due tipi di sistemi di modellazione:

• CAD History-based: una caratteristica è una procedura parametrica. È chiamata a rigenerare il modello quando un parametro viene modificato. Le funzioni basate sulla storia formano rischiose relazioni padre-figlio, che generano diversi errori di rigenerazione: quando una funzione padre viene modificata, i suoi figli non possono essere rigenerati se la geometria che definisce i loro elementi è stata modificata o persa.
• CAD History-Free: una caratteristica è un gruppo di facce (di un corpo) con comportamento associato al movimento, deformazione, copia e modifica dei parametri. Le caratteristiche di modellazione diretta sono locali; non formano relazioni padre-figlio. Ogni caratteristica locale può essere cancellata o trasformata indipendentemente dal resto del modello; non vi è alcun rischio di errori di rigenerazione.

L'approccio della modellazione diretta con caratteristiche locali, consente ai progettisti ed agli ingegneri della produzione, di passare facilmente tra le varianti possibili del disegno, come quando hanno bisogno di cancellare una caratteristica, o vogliono sostituire una piega con un incrocio. (Vedi figura 2)

Figura 2 
Commutazione tra piegatura e giunzione nella modellazione diretta

Un altro vantaggio della modellazione diretta è la facilità di riconoscere le caratteristiche nella geometria importata. Il riconoscimento delle caratteristiche è un processo semplice, che può essere fatto in modo invisibile agli utenti. (I sistemi History-based, al contrario, richiedono la completa storia della progettazione per rendere modificabili le geometrie importate; la ricostruzione della storia del disegno solitamente richiede un lavoro manuale, perché la stessa parte può essere progettata in un "milione" di modi diversi.)

Una soluzione: Modellazione parametrica nei CAD History-Free

La produzione spesso realizza le stesse parti in molti formati. Questo è vero anche nel settore della lamiera, dove per esempio le attrezzature da cucina industriale vengono progettate con una varietà di formati di armadi, unità di cottura, e scaffalature di stoccaggio. Il lavoro di fabbricazione è semplificato se i modelli possono essere riutilizzati per la stessa parte, con diverse dimensioni. E questo è possibile con la progettazione parametrica, che tradizionalmente è stata di dominio dei CAD history-based.

Ma i CAD history-based parametrici subiscono un grande difetto: siamo in grado di modificare i modelli parametrici solo se (a) si usa lo stesso sistema CAD dell'autore del modello, e se (b) abbiamo accesso alla storia del designo. Questo caso è molto raro nel settore manifatturiero, dove i modelli provengono da molti clienti in una varietà di formati CAD.

Come si è visto, anche i sistemi CAD di modellazione diretta possono utilizzare i parametri. In questo caso, le caratteristiche locali mantengono alcuni gradi di libertà, piuttosto che essere completamente vincolati da sistemi history-based. Ad esempio, una flangia è vincolato solo allo spessore della parte di lamiera di appartenenza; le altre dimensioni non sono vincolate. Ciò significa che è possibile modificarla, come ad es. applicare strumenti di modifica diretta ed aggiungere vincoli dimensionali per controllare le dimensioni della flangia e specificare le relazioni tra le sue caratteristiche. Inoltre, i sistemi di modellazione diretta possono aggiungere parametri sia alla geometria nativa che importata.

La mia conclusione

Naturalmente, la progettazione della lamiera è solo un esempio del genere di cose che vengono fabbricate a partire da modelli CAD. Tuttavia, possono essere fatte alcune osservazioni che si applicano a tutte le aree della produzione:

1. I progettisti non possono prevedere tutte le modifiche richieste dal modello di produzione;
2. Gli ingegneri della produzione devono avere piena libertà di modificare i modelli, e quindi non possono essere limitati ad una particolare storia del disegno;
3. Gli ingegneri della produzione utilizzano modelli prodotti da diversi sistemi CAD.

Ognuna di queste osservazioni è un valido argomento contro l'uso di sistemi CAD history-based nel settore della produzione, e quindi spiega perché questi sistemi CAD raramente rispondono alle esigenze degli ingegneri della produzione.

Dr. Dmitry Ushakov è Amministratore Delegato di Bricsys Technologies Russia, ed ha il suo dottorato di ricerca in Informatica. Ha 16 anni di esperienza nello sviluppo di algoritmi di base utilizzati da software CAD, ed è l'ex CEO e CTO di LEDAS.