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DEsign, CFD e TECHnologie estetiche: piattaforma integrata per moto Made In Italy

In un contesto di mercato globalizzato e altamente competitivo è necessario disporre di metodologie, processi e strumenti di progettazione innovativi che riducano significativamente il tempo di sviluppo (Time-to-Market) dei prodotti garantendo un raggiungimento rapido e soddisfacente dei bisogni dei consumatori finali. Mantenendo quindi elevati standard qualitativi sotto il profilo estetico e tecnico dei prodotti, in grado di soddisfare al meglio le richieste dell’utente finale, occorre far fronte all’esigenza di una costante riduzione dei tempi e dei costi di  progettazione che si traducono in una necessità di ottimizzare il processo dall’idea alla realizzazione.

In quest’ottica, sulla base delle esigenze manifestate dall’azienda capofila (Gruppo Piaggio SpA)  si inserisce il progetto di ricerca DeTECH (Design, CFD e Technologie estetiche: piattaforma integrata per moto Made In Italy) che si propone lo sviluppo e l’integrazione di tecnologie innovative applicate alla progettazione di motoveicoli.

Le macro-aree di intervento nelle quali si sono articolate le attività sono:

  1. la realizzazione di uno strumento per il design che integri in un singolo ambiente di Realtà Virtuale (VR) competenze relative alla visualizzazione 3D, alla fluidodinamica computazionale (CFD) e alla possibilità di effettuare rapide azioni di reverse engineering (RE) tali da supportare efficacemente il processo di definizione del concept: un’applicazione orizzontale in grado di uniformare il linguaggio tra i vari stakeholder del progetto.
  2. il miglioramento di tecnologie di produzione e materiali innovativi usati nello sviluppo prodotto, nonché l’applicazione di metodologie innovative di Product Lifecycle Management (PLM)

 

Progetto finanziato dal Ministero per lo Sviluppo Economico – Industria 2015 – Made in Italy

Partner

Le attività di Nu.M.I.D.I.A.

Visual Communication

Progettazione e realizzazione (hardware e software) di una sala virtuale immersiva (CAVE) a basso costo

Il CAVE è una struttura (generalmente di forma cubica) al cui interno un utente può muoversi e sperimentare la realtà virtuale immersiva. Con questo termine ci si riferisce alla percezione di un oggetto fittizio come se questo fosse realmente presente all’interno della stanza davanti ai propri occhi. Per ottenere questo particolare effetto, sulle pareti del cubo (il numero di lati dipende dalla tipologia di CAVE) sono retroproiettate immagini stereoscopiche renderizzate da una camera virtuale che corrisponde, in ogni istante, al punto di vista reale (la posizione della testa dell’utente è costantemente tracciata mediante un opportuno sistema). La prospettiva virtuale viene, così, costantemente aggiornata e fatta corrispondere a quella degli occhi dell’utente: ciò porta a un “effetto presenza” particolarmente incisivo.

La struttura realizzata è formata da quattro pareti di cui tre verticali retro-proiettate e il pavimento proiettato dall’alto, ciascuna con dimensioni di circa 3m x 3m. Si è scelto di usare componenti a basso costo per rendere il sistema potenzialmente appetibile anche a realtà industriali più contenute senza, per questo, dover sacrificare la qualità visiva. Per ovviare alle limitazioni di prodotti consumer rispetto a ben più costosi dispositivi professionali, sono stati usati due proiettori per parete così da mantenere una dimensione fisica del pixel contenuta (eliminando il fastidioso effetto “zanzariera”). Congiuntamente, è stata sviluppata una funzionale web app per il controllo dell’allineamento e della fusione delle immagini dei vari proiettori. Infine, la struttura meccanica è modulare e facilmente trasportabile grazie alla sua realizzazione in profilati di alluminio.

Per avere un controllo totale sul contenuto renderizzato a schermo, è stato sviluppato un engine grafico in grado di proiettare tutte le otto immagini stereoscopiche da un’unica workstation desktop. Il software di visualizzazione può interfacciarsi con diversi sistemi periferici mediante protocollo VRPN. Inoltre, è stato sviluppato un applicativo per controllare, da un’unica postazione, tutti i proiettori attraverso una UI semplificata. Infine, è stata sviluppata una web app in grado di interagire con la scena virtuale proiettata in tempo reale; l’applicazione permette la modifica di parametri quali ad esempio la visibilità, la posizione o le proprietà del materiale per ogni oggetto virtuale rappresentato.

Visualizzazione estetica

L’engine grafico è stato programmato per essere molto flessibile dal punto di vista qualitativo, tuttavia, per mantenere una semplicità di uso e uno standard di rappresentazione moderno, si è scelto di implementare uno shading physically-based come base per la rappresentazione di tutti i materiali. L’utente avanzato è, comunque, in grado di inserire un codice personalizzato per abilitare diversi effetti di rappresentazione a schermo. Ciò ha permesso di raggiungere un livello qualitativo elevato attraverso la gestione di parametri semplificati. Inoltre, l’engine è stato reso multi-piattaforma in modo tale da potersi facilmente adattare a diversi ambienti di sviluppo.

Visualizzazione scientifica

L’engine sviluppato non si concentra puramente sulla visualizzazione estetica ma permette l’indagine di risultati numerici in modo immersivo. Lo stesso, infatti, è in grado di rappresentare a schermo i dati provenienti da svariate simulazioni su un oggetto “matte” o sullo stesso modello usato nella visualizzazione estetica. Questo permette una fusione dei linguaggi provenienti da diverse aree (per esempio tecnica e commerciale) abilitando, di fatto, nuove forme di interazione che portano a sviluppare un prodotto con un tempo sensibilmente minore e una precisione maggiore rispetto ai metodi tradizionali.

CDE

Sviluppo di un codice di calcolo CFD per la simulazione aerodinamica di un motoveicolo

La programmazione del motore di calcolo è stata fondata sull’uso di una tecnica innovativa chiamata Lattice Boltzmann in grado di simulare il comportamento macroscopico di un fluido mediante una descrizione semplificata dell’andamento microscopico (ovvero basato sull’equazione di Boltzmann). Tale approccio ha la prerogativa di ridurre notevolmente la complessità della fase di preprocessing per la creazione della griglia di calcolo (che può essere generata automaticamente con ridottissimo costo in ore uomo). Inoltre, questa tecnica (essendo intrinsecamente parallela) è in grado di sfruttare efficientemente i moderni calcolatori (workstation multiprocessore, cluster paralleli, GPU computing) raggiungendo tempi di calcolo fino a poco tempo fa impensabili.

Workflow completo dalla geometria ai risultati

E’ stato sviluppato un pacchetto completo di programmi in grado di assistere l’utente finale nelle diverse fasi della simulazione CFD:

  1. creazione di un griglia di calcolo sulla base della geometria triangolata (proveniente da CAD o da Reverse Engineering)
  2. simulazione del flusso previo setup di dati in ingresso
  3. generazione automatica di risultati per la visualizzazione desktop o in realtà virtuale immersiva.