Metodi di progettazione

TEORIA METODI DI

PROGETTAZIONE

1 COMPUTER AIDED TECHNIQUES AND TOOLS SUPPORTING THE DESIGN

1.1 Evolution of the product development process

Una volta l’ingegnere progettista e il disegnatore rappresentavano due professionalità ben distinte: la prima

dimensionava, calcolava e sceglieva le soluzioni tecniche, la seconda le realizzava e le metteva in tavola.

Questa distinzione non esiste più e spesso dipende dalla seniority di chi sviluppa il progetto. Ciononostante,

il processo di sviluppo di un veicolo segue ancora in generale queste fasi:

1. Fase di pre-ingegnerizzazione del prodotto: vengono fatte analisi di mercato e di trend tecnologici, in

modo da originare una serie di requisiti che vengono passati all’ingegneria e che devono trasformarsi

progressivamente in specifiche tecniche attraverso i prodotti; vengono inoltre stabiliti i vincoli ovvero

condizioni esterne imposte tipicamente dai governi mediante normative. Maggiore è il carry over (la

numerosità delle soluzioni che possono essere riproposte da un progetto all’altro), maggiore è la

riduzione di tempo che si può ottenere in questa fase che è tipica dell’ingegneria e minore è la

differenziazione del modello dell’architettura da quello precedente. Occorre trovare un equilibrio

tra ciò che può essere riutilizzato da progetti precedenti e ciò che invece deve cambiare perché

rappresenta un elemento distintivo di un progetto. Tutto ciò che è fondamentale mantenere come

elemento distintivo è quello che il cliente percepisce: bisogna quindi prestare attenzione al fatto che

il focus della progettazione non è l’ingegnere che progetta, ma il cliente che deve percepire

l’innovazione che un progettista decide di inserire all’interno di un prodotto.

2. Fase di sviluppo concettuale: si inizia a discutere non solo della forma e dell’architettura che un

veicolo ha, ma anche dei processi produttivi, instaurando da subito l’esigenza di parlare di progetto

insieme alla parte di produzione.

3. Fase di congelamento dei requisiti, delle linee di stile, e delle soluzioni di carry over. Da questo punto

in poi, qualsiasi modifica di progetto ha un costo particolarmente elevato: è di fondamentale

importanza arrivare al congelamento con delle scelte progettuali robuste.

4. Fase di industrializzazione: si realizzano i primi muletti, si producono le pre-serie e si effettuano i

primi test, fino ad arrivare al lancio commerciale.

Mentre il processo tradizionale di progettazione era di carattere strettamente sequenziale, dove la fase

successiva iniziava solamente nel momento in cui quella precedente era terminata, oggi il sistema industriale

utilizza un approccio che è basato sul simultaneous engineering (o concurrent engineering). Si ottiene una

compressione delle fasi e una sovrapposizione delle stesse che porta a risparmiare tempo, ma che crea un

problema importante dal punto di vista della gestione: la sovrapposizione fa sì che ci si trovi nella condizione

di modificare continuamente il progetto. Da qui si evince l’importanza del tema della parametricità del

progetto: si deve impostare il progetto in modo tale che possa essere aggiornato in funzione degli inevitabili

cambiamenti in corso d’opera. Diventa fondamentale utilizzare degli strumenti che siano intrinsecamente

aperti alla modifica: questi sono proprio gli strumenti Computer Aided.

La flessibilità di questo tipo di strumenti ci permette di intervenire rispetto ad uno dei paradossi principali

della progettazione, richiamati in questo grafico:

▪ da una parte una curva blu rappresenta la conoscenza del prodotto che cresce inevitabilmente con

lo sviluppo del progetto;

▪ da una parte una curva rossa rappresenta la maggior parte delle decisioni relative al progetto, le quali

sono invece già prese nella fase iniziale.

Paradossalmente oggi ci si trova nelle condizioni di dover prendere delle decisioni nel momento in cui la

conoscenza del prodotto è ancora in uno stato iniziale.

1.2 Computer aided techniques

Tra i principali strumenti computer aided vi sono:

▪ CAS (Computer Aided Styling): utilizzati nella fase iniziale dello sviluppo prodotto, oggi spesso

affiancati da strumenti di realtà virtuale.

▪ CAD (Computer Aided Design)

▪ CAE (Computer Aided Engineering): permettono di effettuare interventi che puntano

all’ottimizzazione del prodotto, analizzando i processi di produzione agli elementi finiti.

▪ CAT (Computer Aided Tolerancing)

▪ CAM (Computer Aided Manufacturing): fase specifica di produzione dei cicli di lavoro

▪ DUM: fase di assemblaggio

Può capitare che sia necessaria l’interazione tra piattaforme diverse, ma una piattaforma non è sviluppata

in modo da essere compatibile con le altre e quindi eventualmente sono necessarie opere di traduzione

intermedie, che si pagano a caro prezzo. Si possono citare le piattaforme seguenti: CATIA v5 o v6, 3D-

Experience, NX della Siemens, CREO della BTC. In fascia media ci sono SW, Inventor.

Per evitare questo inconveniente solitamente un’azienda grande impone a tutta la filiera produttiva

(fornitori esterni compresi) la sua stessa piattaforma, in modo da evitare problemi di compatibilità e di

scambio di informazioni.

CAS

Lo styling rappresenta la parte iniziale del processo ed è importante nella progettazione degli elementi di

stile che tipicamente hanno un alto impatto ed un forte richiamo sul cliente. Sta scomparendo la figura del

designer di carrozzeria, cedendo il passo a chi realizza invece la parte di ingegneria legata al body, cioè tutta

quella parte legata non più solo allo stile, ma anche alla produzione delle attrezzature necessarie all’intera

filiera. In ambito automotive, nella fase di sviluppo del modello di stile, si parte dalla bozza, si riporta questo

in un ambiente parametrico, lo si veste con delle soluzioni che permettono di risolvere problemi tipici

dell’ingombro o del montaggio dei componenti e si realizza il mockup cioè il veicolo in scala ridotta che

consente di prendere confidenza con le parti in modo molto diretto. Un approccio completamente diverso,

più tipico dei progetti delle city cars, nelle quali lo stile è importante ma non troppo, è quello dell’utilizzo del

morphing cioè della deformazione delle superfici in modo da essere associate a funzioni polinomiali che

riportano le linee di stile principali. A seconda della continuità che le superfici garantiscono tra l’una e l’altra,

sono identificate superfici di classe A, di classe B o di classe C. Alcune delle linee che vengono utilizzate sono:

• le spline, ossia delle polinomiali gestite attraverso nodi

• le curve di Bezièr

• d-spline

• NURBS

Si presti attenzione alla luce, la quale è uno degli elementi fondamentali, insieme alle linee di stile, che serve

proprio a determinare le caratteristiche tipiche di un veicolo.

Si elencano le caratteristiche del CAD:

• Modellazione solida: permette di costruire solidi a cui è possibile attribuire le proprietà tipiche dei

materiali, per poi trasformare l’informazione tridimensionale in un’informazione bidimensionale. Si può

anche partire da un’immagine e attraverso tecniche chiamate pattern recognition si può ricostruire la

tridimensionalità dell’oggetto (anche con l’ausilio del machine learning o dell’intelligenza artificiale).

• Parametricità: gestisce la variabilità delle geometrie con una logica basata su parametri modificabili, al

fine di ottenere comportamenti e caratteristiche diverse. Inoltre, una volta modificati i parametri,

permette una propagazione automatica delle informazioni in tutte le parti del modello, consentendo

varie configurazioni dei prodotti. I parametri che possono essere contenuti all’interno dello sketch sono

di quattro tipologie diverse:

- Geometrico: ad esempio il parallelismo o l’ortogonalità tra due linee

- Dimensionale

- Algebrico: ad esempio un lato è in relazione ad un altro lato in modo che le dimensioni abbiano un

rapporto costante.

• Associatività: permette un collegamento tra gli ambienti diversi di modellazione, quali l’ambiente di

sketch, la parte di costruzione dei singoli modelli, la parte di costruzione dell’assieme ed infine la parte

di messa in tavola. Ciò vuol dire che le proprietà legate ai diversi ambienti sono tra loro associate:

modificandone una, si modificano anche le rispettive degli altri ambienti.

• Utilizzo di features: una feature è una caratteristica tipica di un modello che non necessariamente

corrisponde ad una singola entità geometrica. Ad esempio si parla di feature quando ci si riferisce ad un

foro perché per essere definito in relazione al componente considera il posizionamento del centro, la

profondità di esecuzione, la presenza di svasatura, di smussi o di inviti. La feature è quindi un

sottoinsieme di operazioni che il CAD effettua e che normalmente costituiscono un’operazione che può

essere fisicamente realizzata. Le features principali che vengono utilizzate nella modellazione sono

l’estrusione e la rivoluzione, alle quali poi seguono la foratura, la raccordatura, ecc. Quando si realizzano

queste operazioni, si creano tra queste delle relazioni padre-figlio. Modificare eventualmente una

feature padre comporta modificare anche la feature figlio ad essa associata; viceversa, la modifica di una

funzione padre non ha riflessi sulla funzione figlio.

Le features possono essere classificate in due categorie:

- features of size (FOS): sono quelle che si possono misurare ovvero quelle per le quali si possono

determinare due punti tra loro opposti che diano una dimensione (ad esempio il diametro esterno di

un cilindro, il diametro interno di un foro, la larghezza di una cava ecc.)

- features without size: sono quelle per le quali non si possono stabilire due punti opposti attraverso i

quali fare una misura (ad esempio un piano, un raggio di raccordo ecc.)

• History-based: i features sono soggetti ad una storia della modellazione. Gli stessi features, eseguiti in

ordine diverso, possono portare a risultati anche molto diversi.

• Design-oriented: enfatizza il processo di progettazione e la possibilità per l'utente di creare e modificare

facilmente forme e oggetti. Questa caratteristica è spesso associata a interfacce intuitive e facili da usare,

che permettono all'utente di concentrarsi sul processo di progettazione e non su aspetti tecnici. Inoltre,

questa caratteristica consente una maggiore flessibilità e creatività nella progettazione, facilitando la

modifica e la personalizzazione degli oggetti in modo rapido ed efficiente.

1 PROGETTAZIONE SISTEMATICA

L’approccio utilizzato per sviluppare la parte progettuale di prodotti e di processi in ambito automotive (e non

solo) è quello cosiddetto “sistematico”

È costituito da 4 fasi principali: →

- Planning and task clarification pianificazione delle attività capacità di allocare dei tempi e delle

risorse per ciascuna delle fasi trattate. È una fase molto importante della progettazione, ma anche molto

complessa, in quanto allocare preventivamente tempistiche e risorse destinate ad attività che non sono

ancora cominciate né completamente note nei loro dettagli è estremamente difficile. Al buon

progettista è richiesta una particolare sensibilità in merito a questa fase. A questo scopo vengono

utilizzati i diagrammi di Gantt e di Pert.

→

- Conceptual design fase creativa, assume maggior significato quando si parte dal foglio bianco, gli

strumenti usati in questa fase sono tendenzialmente schizzi tecnici a mano libera, qui si propongono

le idee e si selezionano le più promettenti.

→

- Embodiment design prendo le idee più promettenti 1, 2 massimo 3 e le porto ad un livello di

sviluppo successivo, così da discriminare tra una soluzione buona e una meno buona è qui che entrano

in funzione i vari software computare aided, in generale i software CAD sono sufficienti per eseguire

le analisi di questi progetti, solo successivamente mi avvalgo di strumenti più potenti come CFD,

elementi finiti ecc… così da poter presentare il progetto ad esempio al mio capo.

→

- Detail design fase finale in cui viene sviluppata tutta la documentazione tecnica dalla bill of material

al libretto d’uso e manutenzione ecc…

Le fasi appena descritte avvengono di fatto in modo ciclico e, ad oggi, non vengono eseguite una di seguito

all’altra, ma vengono parallelizzate così da accorciare i tempi di sviluppo. Per questo un progetto deve essere

il più possibile parametrico in modo da poter essere adattato nel corso dello sviluppo progettuale. Quindi

quando disegniamo e progettiamo un componente in realtà disegniamo una famiglia di componenti.

Vediamo più in dettaglio le varie fasi.

Si parte con il Planning and task clarification il cui risultato deve essere la requirement list che accompagnerà

il processo di progettazione fino alla fine, andando ad aggiornarsi man mano che si conoscerà il problema in

modo più approfondito. Siamo di fatto, di fronte a quello che viene chiamato paradosso della progettazione

che dice che quando si progetta un componente le scelte progettuali si fanno quando ancora la conoscenza del

problema è limitata e io alloco costi su soluzioni che adotto senza conoscere bene le problematiche.

Il passo successivo è il conceptual design che trasforma la requirement list in un progetto vero e proprio,

dobbiamo quindi risolvere un problema che soddisfi alcuni requisiti, sarà perciò necessario dedicarsi ad una

fase di astrazione, ciò serve per eliminare tutti i condizionamenti che posso venire dall’esterno o

dall’esperienza che non ti permette di vedere da fuori un problema e farti trovare nuove soluzioni innovative,

dopo la fase di astrazione si ha la fase dello schizzo generico al termine della quale si fa già una prima

valutazione sulla fattibilità tecnica ed economica. In generale si fa sempre questa ultima considerazione ma

qui risulta più importante in quanto da qui in poi si inizia a progettare sul serio e investire soldi e tempo nelle

idee che sono state proposte e scelte come le più promettenti.

Si passa all’embodiement design in cui rendiamo concrete le idee precedentemente vagliate, si inizia a

ragionare di materiali e di geometrie, si sceglie l’approccio progettuale ecc…, di seguito vi sono le fasi che lo

contraddistinguono:

Infine abbiamo il detail design:

Il processo appena visto nella sua interezza, è in realtà un processo iterativo, ci sono fasi di ottimizzazione più

spinte e altre meno spinte, il metodo non deve essere applicato pedissequamente fase per fase, infatti a seconda

di quello che stiamo facendo, un progetto da un foglio bianco o una reingegnerizzazione, applicheremo varie

fasi.

1.1 Product planning and task clarification

Fino alla riga rossa di fatto sono fasi non ingegneristiche ma nelle grandi aziende se ne occupa chi fa

marketing (product planning). Mentre la task clarification è più ingegneristica.

La fase di product planning and task clarification si basa sull’analisi del mercato che permette di capire dove

si può collocare l’azienda, dell’effettiva capacità dell’azienda ad operare e dell’ambiente regolamentare che

fornisce le norme di riferimento e impone dei vincoli, come le emissioni. La classe dirigente stabilisce inoltre

in questa fase quali siano le strategie di sviluppo aziendale per gli anni futuri: normalmente si considera un

periodo di 3-5 anni (questo è quello che accadeva fino a qualche tempo fa mentre oggi i tempi per i quali si è

in grado di fare previsioni si sono contratti molto perché è diventato molto difficile essere precisi in periodi

lunghi). La conclusione di tutti questi ragionamenti strategici è proprio la product proposal, che racchiude

all'interno quelle informazioni di base che servono per lanciare il processo di sviluppo di un prodotto. A volte

più si cerca di ottenere un certo requisito, quindi un'alta prestazione, più ci si andrà a scontrare con un elevato

costo di realizzazione del prodotto, che si vorrebbe invece tenere basso. Però più il prodotto è ad alte

prestazioni, più il margine di guadagno si alza. Questo significa che quando si procede verso un certo livello

il consumatore è disposto a pagare ben più di quanto quell’oggetto vale dal punto di vista tecnico. Per sfruttare

questo vantaggio bisogna ragionare identificando dei compromessi che si trovano avendo molto chiari gli

obiettivi di progetto e lo si fa realizzando delle liste di requisiti estremamente puntuali. La requirements list è

un documento in continua evoluzione: essa è il documento che, proprio perché deve trovare un limite tra il

desiderabile e la fattibilità in termini tecnici ed economici, deve essere un documento aperto. L’output di questa

prima fase è duplice: da una parte c'è la “product proposal” e dall’altra parte c'è la “requirements list”.

Scenari di sviluppo di un prodotto

Normalmente ci si trova a lavorare con diversi possibili scenari di riferimento. I primi due scenari si

classificano come “Original Design”. Il primo scenario è quello in cui si lavora sostanzialmente a foglio bianco

con l’obiettivo di fornire al consumatore un fabbisogno che non è ancora soddisfatto; il secondo scenario

permette di fornire al consumatore una qualche funzione aggiuntiva del prodotto derivante da altri prodotti. Il

primo scenario è quello sicuramente più intrigante e con elevati margini di guadagno ma è estremamente raro

e complesso perché un bisogno non soddisfatto non è facile da trovare oggigiorno, per cui molto più di

frequente si lavora nel secondo scenario, quello della reingegnerizzazione di prodotti già esistenti. Ad un

livello