Raccolta casi Working Model, visualNastran & SimWise - Eastman Kodak
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Paolo Lista,
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Immaginatevi di dover spiegare ad un piccolo gruppo di nuovi dipendenti il funzionamento di un complessivo di meccanismi otturatore di una macchina fotografica e che questi, ovviamente, non ne abbiano mai visto uno. Senza l'aiuto di un campione fisico o di un filmato, sareste sicuri di riuscire a spiegare loro come funziona? Di fatto, pur ricorrendo a lucidi e disegni, si è riscontrato che anche per tecnici dalle spiccate capacità ma pur sempre neofiti ci vuole parecchio impegno e comunque vario tempo per una comprensione completa.
Quanto appena accennato rappresentava un dramma quasi quotidiano per Peter Newman, responsabile sviluppo prodotti alla Eastman Kodak Company americana. Esperto di meccanismi otturatore, Newman dirige il reparto progettazione meccanica a cui fanno capo parecchi ingegneri e tecnici qualificati. Gli ingegneri responsabili, come Newman, devono ricorrere agli ingegneri di settore ed ai tecnici esperti in aree molto specifiche. Spesso Newmann trovava estremamente complesso ed oneroso spiegare a parole come avrebbero dovuto funzionare i vari particolari di una macchina piccola e complessa come un meccanismo otturatore. Quasi per caso Newman scoperse che un aiuto decisivo poteva venire dalla simulazione cinematica e dinamica.
Fortunatamente per Newman, questa difficoltà è ora un problema superato. Ricorrendo ad un programma che gli consentisse di far vedere le parti in movimento di un meccanismo otturatore sulla base delle effettive proprietà fisiche dei componenti e non come semplicemente immaginato dall'operatore, egli ha coinvolto tutto il suo team riducendo significativamente tutti i tempi prima sprecati per comunicare i principi di funzionamento di vecchie e nuove soluzioni. Questo programma è il Working Model, il software di analisi cinematica e dinamica prodotto dalla Knowledge Revolution californiana.
Gestione automatica delle collisioni
I contatti transitori ed i rimbalzi costituiscono un particolare aspetto della meccanica dell'otturatore analizzato da Newman. Inizialmente, Newman utilizzava un software di analisi cinematica su workstation per creare corpi rigidi connessi con vari vincoli descritti tramite formule matematiche. Dal momento che tutti questi vincoli erano stati creati tramite formule, risultava improbo gestire con quel programma ogni nuova configurazione con urti reciproci e rimbalzi tra gli elementi. Purtroppo, nella realtà questo è proprio quello che accade in un meccanismo otturatore. Questo era appunto il problema da capire, spiegare ed esaminare con i suoi collaboratori.
Il software che Newman usava precedentemente era veramente troppo complesso ed oneroso per simulare urti e rimbalzi di questi meccanismi. Richiedeva l'uso di esperti programmatori, e pertanto Newman fu obbligato a chiedere aiuto al miglior programmatore dell'azienda per realizzare una simulazione completa. Dal momento che dopo varie settimane di impegno ancora non si approdava concretamente ad una simulazione completa, Newman era ormai rassegnato a basarsi solo su disegni e diapositive cercando di comunicare a parole tutti gli eventi che, in una frazione di secondo, descrivono il comportamento di un meccanismo complesso come l'otturatore fotografico. "Impiegavo sempre un sacco di tempo ed energie per comunicare le idee al mio team attraverso solo l'uso di immagini statiche," ha confessato Newman.
Analisi dinamica a livello personal computer
Fu proprio in un momento di particolare delusione che Newman decise di abbandonare l'ambiente dei mainframe e delle workstation più potenti della Kodak e considerare se magari a livello personal computer non si potesse ipotizzare una soluzione ai suoi problemi. Con il ricorso ad una semplice animazione prodotta su un PC sperava infatti di mostrare l'interazione tra i piccoli componenti di un meccanismo otturatore e sviluppare idee per nuove soluzioni. "Avevo cercato per anni un prodotto che mi consentisse di fare quello che oggi realizzo con il Working Model," ha riferito Newman. "Potete ben immaginare, quindi, il mio stupore nel vedere l'animazione di un otturatore completamente risolta, compresi tutti gli urti e rimbalzi tra le varie parti, attriti ed inerzie, così semplicemente e velocemente risolte con il Working Model. Altro che semplici animazioni! Forse altri software sarebbero stati in grado di ottenere lo stesso risultato, ma avrebbero dovuto essere stati adattati al caso specifico mentre invece il Working Model gestiva tutto automaticamente."
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da cui è tratto il fotogramma riprodotto sopra
Il Working Model non richiede specifiche programmazioni per simulare tutti i contatti transitori e gli attriti. Tramite il semplice comando Collide, Newman era in grado di valutare gli urti tra i vari componenti e le loro conseguenze.
Nei suoi successivi rapporti con gli altri colleghi, Newman rimase sorpreso da come moltissimi tra loro erano rimasti così colpiti dal Working Model da iniziare subito spontaneamente ad utilizzarlo per i loro compiti specifici, vinti dalla semplicità d'uso che non richiedeva specifica istruzione.
Il meccanismo otturatore
In un caso specifico, Newman simulò un meccanismo otturatore per un nuovo modello di apparecchio fotografico. I disegni originali erano stati prodotti usando il CAD Unigraphics su una workstation Hewlett Packard. La costruzione della simulazione in Working Model richiese circa due ore.
La prima ora fu impiegata nel sistema CAD per ricavare i profili geometrici 2D dai modelli solidi, dal momento che in questa prima fase si stava valutando la versione bidimensionale e non ancora quella tridimensionale del Working Model. L'import dei disegni con formato DXF ha poi consentito di avere le parti dell'otturatore disponibili sul Working Model caricato in un modestissimo personal computer Macintosh IIfx.
La seconda ora è stata spesa per costruire effettivamente il modello funzionante nel Working Model. I profili delle parti sono così stati convertiti in corpi rigidi. Creati i vari corpi, si sono aggiunti i vincoli, le molle e gli attuatori. La verifica che quanto finora eseguito era corretto, anche se incompleto, era a portata di un semplice click del mouse sul pulsante Run. Senza bloccare l'operatore con una valanga di richieste, il Working Model aveva già provveduto a selezionare automaticamente dei congrui valori per tutte le proprietà fisiche dei vari elementi (masse, coefficienti di attrito, rigidezze di molle, ecc.). Si poteva quindi provare il funzionamento della soluzione prima di caricare tutti i valori specifici dei vari elementi (un modo intelligente per non sprecare tempo nei dettagli per una soluzione che forse non poteva funzionare). Accertatisi della possibilità di funzionamento è stato poi semplice rifinire il modello con le esatte proprietà di ogni componente, correggendo con il mouse le scelte arbitrarie - ma non certo prive di logica - compiute dal software. Costruito il modello completo, sono stati attivati tutti i grafici e le finestre di misura. L'attivazione dei vettori istantanei di sollecitazione fu subito individuata senza l'uso del manuale.
La simulazione era pronta. I modelli più semplici venivano risolti in pochi minuti, quelli più complicati in tempi un pò più lunghi, al massimo in un'ora circa. Ovviamente tutti i risultati erano salvati automaticamente sotto forma di un filmato Windows AVI o Apple Quick Time, formato che può essere analizzato come in moviola in ogni personal computer senza necessariamente caricare il Working Model. Finalmente si potevano visualizzare i complessi fenomeni che distinguevano il progetto di un buon otturatore da uno solo mediocre.
Il Working Model aveva creato una simulazione grafica basata sulla reale fisicità dell'otturatore, non sulle ipotesi di moto immaginato da un operatore. Newman era pertanto in grado di esaminare le conseguenze dei vari contatti transitori mentre i vettori istantanei chiarivano le sollecitazioni sui vari elementi. Egli era finalmente in grado di visualizzare la velocità di chiusura dell'otturatore sulla base delle diverse scelte progettuali. Cambiando interattivamente qualunque parametro nel suo modello, come una massa, la posizione di un perno o la rigidezza di una molla, egli era in grado subito di valutarne le conseguenze e regolarsi di conseguenza. Una routine di ottimizzazione lo assisteva addirittura nella scelta dei valori migliori per il conseguimento di un certo obiettivo. Ogni nuova simulazione non richiedeva più di trenta minuti e solo dopo aver trovato la migliore configurazione si decise di costruire un prototipo fisico. Il confronto tra i risultati proposti dal Working Model e quelli misurati sul prototipo fisico fu straordinario.
Prototipo fisico o virtuale?
Un procedimento di analisi alternativo a quello condotto con il Working Model avrebbe richiesto prove su prototipi fisici. La prototipazione fisica è estremamente costosa sia in termini di tempo che di materiali, richiedendo per ogni modello almeno due giorni di lavoro in sala prototipi impegnando varie attrezzature CAD/CAM sofisticate. Viceversa, Newman con il suo semplice personal computer perveniva agli stessi risultati in due ore.
Quando un prototipo viene costruito senza alcuna verifica di funzionamento preventiva con il Working Model, può molto facilmente ritornare in officina in quanto non funzionante. Possono passare giorni e giorni prima che si capiscano le ragioni di quel mancato funzionamento. In aggiunta, bisogna poi rifare un altro prototipo e procedere per tentativi sempre più dispendiosi. Il Working Model consente di capire subito perchè un certo progetto non funziona, dal momento che tutte le forze vengono istantaneamente visualizzate man mano che i pezzi si muovono. Ciò consente a Newman di fare velocemente nuove ipotesi, di considerare tutte le alternative e di arrivare alle scelte ottimali in meno di un decimo del tempo necessario con l'approccio tradizionale.
Secondo Newman, l'uso del Working Model ha stimolato enormemente la comprensione della dinamica dell'otturatore e lo scambio veloce e produttivo di nuove soluzioni tra i vari membri del team. "Sono entusiasto del Working Model," ha concluso Newman. " Il nostro team crea progetti migliori ed in tempi più rapidi perchè grazie al Working Model lo scambio di idee è estremamente facilitato, il mio lavoro si è semplificato e la Kodak risparmia denaro."
