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Appunti delle lezioni di Disegno di Macchine

Disegno di Macchinecorso per I anno della laurea in ing. meccanica

Docente: ing. Francesca Campana

Introduzione alla modellazione solida

e ai sistemi CAD


Sommario

Obiettivi della Modellazione Solida e del CAD

CAD e progettazione, CAD e sviluppo prodotto

Esempio

Evoluzione storica

Competenze richieste

Il cuore dei sistemi CAD: il modello solido

Tipologie di Feature

Criteri di scelta

Modalità di realizzazione: il concetto di profilo, vincoli e estensione

I software di uso più comune

Introduzione alla modellazione solida 2


Significato

Con “Computer Aided Design (CAD)” l’ingegnere intende

l’insieme di conoscenze tecniche e informatiche in

grado di condurre un processo di “Progettazione

Assistita dal Calcolatore”.

Il CAD non è:

solo uno strumento di disegno per la realizzazione grafica

di forme

uno specifico software

Il CAD è:

un metodo per lo sviluppo e la gestione di progetti

industriali

un insieme di procedure e funzionalità per il disegno e il

progettoIntroduzione alla modellazione solida 3


Obiettivo

Assistere l’iter di progettazione offrendo strumenti in grado di:

automatizzare gli aspetti ripetitivi e standardizzati

ridurre gli errori relativi all’applicazione delle norme tecniche (standard ISO, UNI, DIN, …)

verificare il prima possibile criticità funzionali, costruttive e di fabbricazione attraverso prototipi virtuali

gestire e archiviare le informazioni e le documentazioni di progetto e ciclo di vita del prodotto (Product Data Management e Product Lifecycle Management – PDM e PLM)

4Introduzione alla modellazione solida


Ciclo di Vita di un Prodotto

5

Richiesta Mercato Produzione

Distribuzione e Vendita

Progettazione Prodotto

Programmazione Produzione

Utilizzo (=Esercizio)

Manutenzione

DismissioneRiciclomateriali

energia

materiali

PLM

CAD

Prototipi virtuali



Fasi di Progettazione

6

Pianificazione

del processo di

produzione

Progetto

esecutivo

Progetto

concettuale

Verifica su

Prototipo

Progetto di

massima

Produzione

Tim

e to M

ark

et

In progettazione la richiesta del mercato si definisce in modo sempre più dettagliato fino a diventare un insieme di disegni costruttivi per fabbricare e assemblare ogni componente del prodotto finito.

Il Time to Market è il tempo necessario a lanciare sul mercato un nuovo prodotto/modello.

Il computer promuove la riduzione del time to market aiutando:

–nella stesura dei vari tipi di progetto

–nella verifica anticipata di quello che può accadere in esercizio

–nella gestione delle informazioni tra I vari comparti lavorativi



Esempi di CAD e Iter Progetto

1

6

Costruzione

Prototipo e

verifica

sperimentale

2Progetto

Componente3

Verifica

Strutturale

4

5 Studio

assemblabilità



Sì, ma cos’è un sistema CAD?

I sistemi CAD sono applicazioni informatiche di alto livello in grado di gestire e integrare in tempo reale:

librerie di modellazione geometrica in 2 e 3D

computer grafica di restituzione e navigazione del modello geometrico 3D

sistemi di puntamento e interfaccia grafica interattiva

gestione e archiviazione dati e metadati

Integrabili/integrati con programmi :

di calcolo numerico per l’ottimizzazione e la simulazione fisica di esercizio e produzione (=prototipazione virtuale)

di gestione della conoscenza ingegneristica di supporto ad attività altamente specializzate

– applicazioni CAD di tipo verticale (ad es. per progetto saldature, lamiere, …,

– applicazioni di tipo Knowledge Based Design (=sistemi esperti)



Evoluzione storica del CAD

Si è sviluppato e cresce insieme alle evoluzioni hardware e software dell’informatica:

Anni ’50-’60: prime applicazioni di interattività uomo-macchina (IBM c/o General Motors, progetto Sketchpad@MIT); sviluppo di computer per elaborazioni di disegno computerizzato; sviluppo del calcolo numerico per verifiche strutturali; sviluppo di linguaggi di programmazione macchine utensili (APT).

Anni ’60-’70: sviluppo del Computer Aided Drafting (disegno 2D di dettaglio, prime ottimizzazioni di interfaccia grafica – refresh, panning, zooming su terminali con acceleratori grafici).

Anni ’70-’80: inizio del disegno 3D di tipo reticolare (wireframe) e di surface modeling.

Anni ’80-’90: sviluppo della modellazione solida, B-rep e C-rep (Boundary e Constructive Representation), volumi CSG (Constructive Solid Geometry).



Evoluzione storica del CADAnni ’90-2010: Modellazione solida di tipo “variazionale parametrico” (feature based design), NURBS surface.

… e poi?

Piena integrazione tra verifiche fisiche e ambiente virtuale

Realtà virtuale e realtà aumentata per:

la progettazione collaborativa (collaborative design)

prototipazione virtuale

nuove modalità di interfaccia uomo-macchina



Competenze richieste

Come ingegneri industriali:

solida conoscenza della fisica e delle interazioni tra diversi ambiti disciplinari (meccanica del continuo e reologia dei materiali, fluidodinamica e resistenza strutturale, elettronica e meccanica, …)

conoscenza dello stato dell’arte tecnico per saper vagliare scelte e soluzioni con spirito critico e evitare … “di scoprire l’acqua calda!”

Continuo aggiornamento dei progressi tecnologici per comprendere come accelerare attraverso il CAD il processo di sviluppo di nuovi prodotti/tecnologie industriali

Come ricercatori/sviluppatori:

Conoscenza dei sistemi informatici software e hadrwareCapacità di programmazione (in diversi linguaggi)

Buona conoscenza della geometria computazionale, del calcolo numerico, …



Il modello solido

La base di ogni CAD è la creazione dei modelli solidi ovvero dei componenti virtuali e 3D del progetto.

Distinguiamo: modelli solidi di componente e assiemi.Ciascuno potrà essere di tipo:

Concettuale

Di massima

Esecutiva o costruttiva

Un modello solido si può realizzare secondo diverse procedure.

Una delle vie più efficaci e quella basata sulla modellazione parametrica, (feature based design) ovvero sul concetto di:

feature geometrica

Una feature geometrica è una caratteristica di forma che descrive un dettaglio 3D di un volume (uno scavo rettangolare o assialsimmetrico, una sporgenza, una particolare simmetria).



Il modello solido

In meccanica la funzionalità di un componente è strettamente legata alla sua forma.

Le dimensioni invece sono definite dalla resistenza alle sollecitazioni a cui è sottoposto, ovvero ai vincoli di prestazione richiesti (potenza, ingombri, …).

La modellazione solida feature based aiuta il progettista sviluppando forme di tipo parametrico ovvero scalabili/adattabili in funzione delle prestazioni richieste.

13

- corpo assialsimmetrico di sezione

variabile per consentire il corretto

posizionamento degli organi di

trasmissione (ruote dentate, cuscinetti,

volani, giunti, …)

- con lavorazioni di scavo di dettaglio per

alloggiamenti di elementi di bloccaggio e

creazione di raccordi/smussi

Albero di trasmissione



Il modello solido

Ogni componente può essere visto come la composizione di costruzione geometriche che aggiungono e sottraggono volumi fino ad ottenere la forma voluta.

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A Feature globale

B Feature di

scavo locale

B

D Feature di

scavo locale

D

C Feature di

scavo locale

C

E Raccordo E




Le feature basilari aggiungono oppure tolgono

materiale e si distinguono in

protusioni

di estrusione normale

di rivoluzione

di scorrimento

scavi




Alle feature basilari si aggiungono poi lavorazioni più specifiche

quali:

fori e filettaturenervature spessoramento

feature di dettaglio: raccordi, smussi

Operazioni di

semplificazione quali

copiatura e

replicazione 3D secondo percorsi

assegnati

Feature di

partenza

(estrusione)

Percorso di

replicazione

circolare ogni

60°Introduzione alla modellazione solida


Criteri per la scelta delle feature

Per la scelta della sequenza di feature non esiste una sola possibilità, ma tra le tante possibili ce ne sono alcune ottimali dal punto di vista ingegneristico.

La modellazione è bene che proceda “mimando” la lavorazione tecnologica di fabbricazione:

si parte da un semilavorato ottenuto con feature di aggiunta di volume

si procede attraverso scavi globali, poi con gli scavi locali e infine con le operazioni di rifinitura e completamento (fori, raccordi, smussi)

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Esempio: corpo scatolato a parete sottile

A. Estrusione

normale di volumeB. Scavo per

spessoramento

Realizzato in plastica

per stampaggio a

iniezione



Come si realizza una feature

I volumi associati a ciascuna feature si ottengono partendo da profili disegnati nel piano a cui si associa la 3° dimensione attraverso:

Scorrimento lungo la direzione normale al profiloRotazione del profilo attorno un asse contenuto nel piano del profilo

Operazioni preassegnate in base alla specifica feature di dettaglio richiesta:

– Lo spessoramento svuota ortogonale alla faccia fino a lasciare lo spessore di parete richiesto

– La foratura scava secondo l’asse di rivoluzione la forma di foro prevista partendo dal diametro nominale (come fosse una punta di trapano)

– Il raccordo toglie materiale secondo un arco di circonferenza di 90° tangente alle superfici

– ….

La 3° dimensione è detta anche estensione della feature




19

Ogni feature di base richiede un profilo di partenza da disegnare su

un piano di riferimento.

I piani di riferimento possono essere:

– uno dei piani coordinati (xy, yz, zx),

– un piano comunque localizzato rispetto ad essi,

– un piano appartenente ad una faccia del pezzo.

Le funzioni di disegno consentono

– il tracciamento di linee e figure geometriche,

– la verifica di vincoli reciproci tra gli elementi di disegno,

– operazioni di taglio, simmetria, delimitazione ed estensione, scalatura.




20

Le relazioni di vincolo consentono una maggiore rapidità di disegno

e fanno sì che il profilo sia chiuso.

Per creare la feature infatti il profilo deve essere chiuso, ovvero le estremità delle linee e degli archi che si succedono devono

coincidere. In caso contrario il programma non saprebbe come

aggiungere/togliere volume!

linea di costruzione

Attraverso I vincoli di relazione

angolare rispetto a due linee di

costruzione si associa il disegno a

grandezze geometriche che

durante il progetto possono variare

Esempio:



perpendicolarità

tangenza

collegamento tangente

orizzontale

Disegno profili: vincoli geometrici (*)

(*) presi da IntelliSketch di Solid Edge ma comuni

a tutti I sistemi


Estensione delle feature

22

L’estensione si può definire secondo le seguenti modalità:

1. passante,

2. fino al prossimo elemento geometrico,

3. finita,

4. estesa “da… a…”

scavo

passantescavo fino

al

prossimo

scavo

“da…

a…”

da

a

Le opzioni 1, 2 e 4 permettono di definire la geometria senza dover necessariamente impostarne la lunghezza, in questo modo

l’aggiornamento delle modifiche può essere più semplice.Introduzione alla modellazione solida


Estensione delle featureEsempio

Lo scavo A sia definito come “esteso fino al

prossimo”

Se modifico la lunghezza l dell’estrusione

(operando sulla struttura ad albero del

disegno) lo scavo si mantiene con le stesse

caratteristiche di estensione (ovvero

passante da lato a lato dell’estrusione)

A

L

L

modifica elemento finale

elemento iniziale

Se invece lo scavo fosse stato definito con

“estensione finita pari a XX mm”, dopo la

modifica di L avremmo ottenuto


Per concludere

Principali software di uso industriale:

Solid Edge

http://www.plm.automation.siemens.com/it_it/academic/resources/solid-edge/index.shtml

CATIA

http://www.3ds.com/it/prodotti-e-servizi/catia/

Inventor

http://www.autodesk.it/products/autodesk-inventor-family/overview

SolidWorks

http://www.3ds.com/it/prodotti-e-servizi/solidworks/

ProE

http://www.ptc.com/products/proe/wildfire4/

http://www.plm.automation.siemens.com/it_it/academic/resources/solid-edge/index.shtml

http://www.3ds.com/it/prodotti-e-servizi/catia/

http://www.autodesk.it/products/autodesk-inventor-family/overview

http://www.3ds.com/it/prodotti-e-servizi/solidworks/

http://www.ptc.com/products/proe/wildfire4/


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