Progettazione 4.0: gestire tutto il ciclo di vita del prodotto

Dopo millenni in cui i progetti sono sempre stati basati su disegni e documentazione cartacea, la prima significativa evoluzione delle metodologie di progettazione si è verificata negli Anni ’70 con la migrazione dai tavoli da disegno e tecnigrafi alla progettazione digitale, resa possibile dalla comparsa delle prime workstation grafiche e del software di progettazione digitale CAD (Computer Aided Design) 2D e in seguito 3D, che ha permesso la progettazione visuale interattiva e la digitalizzazione dei disegni e dei modelli.

Negli Anni ’80 appaiono i primi software di calcolo strutturale a elementi finiti (FEM – Finite Element Method), come Nastran e Ansys, che girano in batch su costosissimi mainframe.

Verso la metà degli Anni ’90 nascono nuovi tipi di software che utilizzano il modello CAD per eseguire vari tipi di elaborazioni e simulazioni, come i sistemi CAM (Computer Aided Manufacturing), in grado di simulare il processo produttivo del prodotto e di generare i comandi per le macchine utensili a controllo numerico (G-Code) che avevano iniziato la loro diffusione negli Anni ‘80, mentre il CAE (Computer Aided Engineering) permette di simulare il comportamento degli oggetti, e inizia la prototipazione virtuale, che permette di testare il comportamento degli oggetti progettati in ambienti virtuali, nonché la prototipazione rapida, resa possibile dalle neonate stampanti 3D, con cui si producono oggetti fisici partendo dal modello matematico.

Nei primi Anni 2000 con l’introduzione della realtà virtuale (VR) e della realtà aumentata (AR) diventa possibile simulare la realtà, grazie all’utilizzo di particolari periferiche, come visori, helmet e data glove, che permettono l’iterazione fra progettista e prodotto.

Nella seconda decade degli Anni 2000 appaiono nuove piattaforme di progettazione integrate in cui convergono CAD/CAE/CAM e calcolo strutturale, e nuove metodologie di progettazione come il generative design, in cui il software propone varie soluzioni tra cui il progettista può scegliere grazie alla disponibilità di elaboratori sempre più veloci e dotati di potentissimi processori grafici (GPU), che permettono di realizzare in tempo reale analisi, simulazioni e rendering di sistemi estremamente complessi. Uno dei principali driver di questa convergenza è anche la diffusione della produzione additiva (AM), che permette di realizzare complesse geometrie, impossibili con le macchine utensili tradizionali, e di progettare prodotti in grado di sfruttare tutte le potenzialità della stampa 3D (Dfam – Design For Additive Manufacturing).

Progettazione 4.0

La principale novità della progettazione 4.0 è però lo sviluppo di prodotti intelligenti e connessi, che permettono la continua interazione fra progettista e prodotto, grazie allo sviluppo dell’elettronica, dell’informatica, del networking, e delle tecnologie Internet of Things (IoT), che garantiscono l’accesso da remoto a dati e informazioni in tempo reale.

L’accesso a dati e informazioni durante l’utilizzo di un prodotto consente ai progettisti un monitoraggio costante delle sue prestazioni e delle modalità attraverso cui viene impiegato.

La conoscenza prodotta dall’analisi dei dati, anche con l’aiuto di sistemi di intelligenza artificiale, può essere utilizzata per migliorare i prodotti e creare servizi a valore aggiunto.

Alcune macchine dotate di intelligenza artificiale e di algoritmi di deep learning sono addirittura in grado di suggerire come migliorare le loro caratteristiche in base all’esperienza di funzionamento.

Per sfruttare le tecnologie offerte dal paradigma dell’Industria 4.0, è necessario integrare la progettazione tradizionale del prodotto con la progettazione delle tecnologie digitali integrate nel prodotto ‘intelligente’ che consentono la raccolta e la trasmissione di dati dal campo.

È anche molto importante la scelta del software da utilizzare per la gestione dei dati e delle informazioni raccolte, perché siano utilizzabili da parte dei progettisti e dei consumatori. Infatti, i dati possono essere utilizzati per migliorare i futuri prodotti grazie alla ‘conoscenza’ generata dalle informazioni relative all’utilizzo del prodotto.

Il nuovo paradigma di progettazione Industria 4.0 sta gradualmente cambiando le tecniche di progettazione e ingegnerizzazione dei prodotti industriali e i processi produttivi delle imprese manifatturiere italiane.

Poiché il processo di progettazione si allarga in molte direzioni, e si deve occupare di molti più aspetti in tempi sempre più ristretti, diventa sempre più importante collegare questo processo non solo con la produzione ma anche con il marketing e con le vendite, per catturare e soddisfare tempestivamente le richieste del mercato.

Per migliorare la velocità di sviluppo di nuovi prodotti, si fa ricorso sempre più frequentemente a metodologie di Progettazione Collaborativa, Crowd Design e Open Innovation. I principali fattori che spingono la progettazione verso nuove soluzioni di collaborazione sono i seguenti:

• la crescita della meccatronica e dei ‘prodotti intelligenti’, che obbliga progettisti meccanici, elettronici e informatici a integrarsi, con la necessità di lavorare con una sola piattaforma in grado di gestire hardware, software e documentazione;

• la necessità di condividere dati e conoscenze con le sedi remote e partner esterni, e di mantenere allineati in tempo reale tutti i dati dei progetti.

I sistemi PLM, Product Lifecycle Management

Come conseguenza dell’evoluzione del processo di progettazione, i dati e i modelli digitali sono diventati sempre più importanti per una migliore progettazione, e sono aumentati a dismisura. È nato quindi il problema della loro gestione in tutto il ciclo di vita dei prodotti: progettazione, prototipazione, produzione, manutenzione, evoluzione e ‘fine vita’, compresi i relativi servizi e tutta la documentazione, che viene in parte risolto dai sistemi PLM (Product Lifecycle Management), in grado di gestire le informazioni riguardanti la progettazione, l’ingegnerizzazione e la produzione di un prodotto, ma non ancora in grado di gestire le fasi di vita successive del prodotto. Ma per sfruttare pienamente le tecnologie 4.0, è necessario implementare sistemi gestionali che rendano possibile l’immagazzinamento, la condivisione e l’utilizzo dei dati raccolti sul campo e che garantiscano una corretta gestione delle informazioni relative all’intero ciclo di vita del prodotto.

L’estensione delle aree di competenza dei PLM, però, provoca interferenze con tutta una serie di altri importanti piattaforme gestionali, come i sistemi documentali Edms (Enterprise Document Management System), i sistemi per la gestione della qualità QMS (Quality Management System), gli ALM (Application Lifecycle Management) per la gestione del ciclo di vita del software, che è sempre più parte integrante dei ‘prodotti intelligenti’, i Cmms (Computerized Maintenance Management System) per la gestione della manutenzione, in particolare se ci sono macchine dotate di digital twin e sistemi di manutenzione predittiva, e soprattutto i MES (Manufacturing Execution System) e gli ERP che orchestrano tutta la gestione dell’impresa. Diventa quindi indispensabile realizzare un’architettura software in grado di gestire in tempo reale tutta questa complessità.