ITIA-CNR

DASM

Dynamic Analysis and Simulation of Machinery

Obiettivi della ricerca

DASM

Prestazioni ed efficienza per le macchine del futuro

Il gruppo DASM sviluppa modelli numerici multidisciplinari e metodologie sperimentali a supporto della progettazione di macchinari innovativi, allo scopo di ottimizzarne l'accuratezza, le prestazioni dinamiche e l'efficienza energetica.

Il rapido sviluppo del mercato globale chiede una grande varietà di prodotti in continua evoluzione, sempre più complessi e di maggiore qualità. Le macchine utilizzate per produrli devono, quindi, assicurare un'elevata precisione lavorando ad alta velocità e aiutare l'operatore a utilizzarle in modo ottimale a fronte delle variabili condizioni di utilizzo. A tutto questo si uniscono le sempre più pressanti esigenze, specie in Europa, di contenimento dell'impatto ambientale che richiedono, in particolare, la massimizzazione dell'efficienza energetica dei macchinari. Per raggiungere tali prestazioni fin dal primo prototipo, vengono proposti al progettista strumenti e metodologie di analisi sempre più sofisticati.
La missione di DASM è quella di sviluppare metodologie e strumenti software a supporto sia del progetto che della verifica sperimentale di macchinari ad alte prestazioni. Tradizionalmente votato al settore delle macchine utensili, DASM si occupa sia di lavorazioni ad alta velocità, ottimizzando l'interazione tra sistema di controllo e struttura meccanica, sia di lavorazioni ad alta potenza, dove la capacità di asportare velocemente il materiale, legata all'interazione della macchina con il processo di lavorazione, gioca un ruolo determinante.

Attività di ricerca

L'approccio olistico all'analisi delle prestazioni delle macchine, tramite i loro prototipi virtuali multi-disciplinari, estende a livello di macchina il concetto di Fabbrica Digitale, permettendo di stimarne le prestazioni, identificando anticipatamente le criticità di progetto, riducendo i rischi di investimento. Per raggiungere questo obiettivo è necessario considerare l'essenza della macchina basata sulla complessa interazione tra struttura meccanica, controllo del movimento e processo di asportazione del materiale. Oltre alle strategie di simulazione, sono state sviluppate negli anni anche procedure di verifica sperimentale per valutare prototipi, affinare i modelli numerici e individuare eventuali problemi di qualità del processo produttivo. La conoscenza approfondita del comportamento dinamico della macchina favorisce la progettazione di prodotti personalizzati e ottimizzati su specifiche applicazioni, spaziando dalle imponenti macchine del settore aerospaziale ed energetico fino a quelle estremamente piccole dedicate alle micro lavorazioni.

Architetture innovative

Le macchine utensili a cinematica parallela,
con la loro complessità, sfidano l'esperienza
del progettista più esperto. Pacchetti SW
dedicati consentono una completa e veloce
analisi di meccanismi fin dalle prime fasi di
concezione dell'architettura.

Per potenziare il valore aggiunto prodotto dall'approccio multidisciplinare, l'attività di ricerca punta a migliorare sempre più i modelli numerici che sono alla base della macchina virtuale, attraverso:

  • sviluppo di strategie di modellazione avanzata in ambiente FEM e Multi-Body; analisi di meccanismi con particolare attenzione alle strutture a cinematica parallela; calibrazione degli errori volumetrici; studio dell'impuntamento in meccanismi a catena cinematica chiusa;
  • modello dei processi di asportazione del materiale in condizioni dinamiche per le lavorazioni di fresatura, tornitura, rettifica.

Sfruttando le conoscenze sviluppate sul sistema macchina-processo, DASM sta attualmente sviluppando soluzioni di monitoraggio e controllo, per un'ottimizzazione automatica del processo di lavorazione. I modelli numerici integrati sono stati utilizzati per analizzare una strategia di controllo in feed-forward che compensi le deformazioni strutturali provocate dall'accelerazione della macchina.
Altra linea di sviluppo delle attuali attività di ricerca riguarda l'efficienza energetica delle macchine, con particolare riferimento alla:

  • caratterizzazione dell'efficienza energetica di macchine esistenti; identificazione delle entità e localizzazione delle perdite energetiche. Il gruppo partecipa alla definizione della normativa ISO 14955 "Valutazione ambientale delle macchine utensili";
  • analisi delle soluzioni tecniche migliorative, in collaborazione con i produttori di componenti, per raggiungere il miglior compromesso tra l'incremento dell'efficienza energetica e il ritorno economico.

Entrambe le attività sono basate sullo sviluppo di modelli energetici digitali delle macchine che riproducono i flussi di potenza in uno specifico scenario produttivo. I modelli considerano l'energia dispersa dal processo di taglio, dal mandrino, dagli azionamenti, dalle guide e trasmissioni fino ai dispositivi ausiliari principali, come le pompe idrauliche e gli impianti frigoriferi.

Principali progetti di ricerca

ESTOMAD
Development of a methodology and related ICT tools to model, simulate, analyze and optimize energy flows and losses throughout the whole machinery, EU, FP7-ICT (2010-2012)
ENEPLAN
ENergy Efficient Process pLANning system, cleaner and more resource-efficient production in manufacturing, EU, FP7-NMP (2011-2014)
MICHELANGELO
Incremento del livello di automazione, autodiagnosi, precisione e integrazione funzionale delle macchine utensili italiane mediante sistemi cognitivi artificiali che realizzano processi di percezione-decisione, Ministero per lo Sviluppo Economico (2010-2013)

Progettazione no-limits

Gli anni di esperienza nel settore delle macchine utensili e della simulazione hanno portato allo sviluppo di tecniche CAE di supporto all'industrializzazione di macchine ad alte prestazioni: librerie di modelli e procedure di analisi basate su Elementi Finiti; ambiente di simulazione che integra la struttura meccanica con il processo di lavorazione ed il sistema di controllo.

key words

Machine Tools; Mechatronics; Cutting Process; Energy Efficiency; Virtual Prototyping.

Giacomo Bianchi

Contatto

Eng. Ph.D. Giacomo Bianchi - Milano
DASM Group responsible
giacomo.bianchi [at] itia.cnr.it
Consulta il minisito del gruppo...