virtual product design in manufacturing

Ing. Angelo Messina

Chief Research & Development Officer

EnginSoft SpA

VIRTUAL PRODUCT DESIGN IN

MANUFACTURING

� EnginSoft short overview

� Simulation Based Engineering Science (SBES)

� Engineering Simulation

� Focus Automotive

� Other Industrial Sectors

� Industry 4.0

� Final Remarks

A. Messina - CRO - Enginsoft SpA

Summary

ES overview SBES Focus AutomotiveEngineering Simulation Other SectorsSummary FinalIndustry 4.0

21 Ottobre 2016

EnginSoft: L’Azienda

� Multinazionale Italiana nata nel 1983 per iniziativa di un gruppo di ingegneri appassionati di nuove tecnologie e calcolo numerico

� Realtà dinamica, formata da oltre 120 specialisti che impiegano le migliori tecnologie software di Prototipazione Virtuale, Simulazione numerica e Ottimizzazione per sviluppare metodi e prodotti innovativi, in stretta collaborazione con i propri clienti

� Vende, personalizza e supporta le stesse tecnologie hardware e software che utilizza, per sviluppare progetti ed erogare servizi di consulenza alle aziende

� Crede che lavorare su tematiche innovative e strategiche insieme ai propri Clienti sia il vero valore e dia senso al termine di partnership


A. Messina - CRO - Enginsoft SpA21 Ottobre 2016

ES England*Coventry

ES Nordic*Lund

ES Germany*Frankfurt

ES France*ParisES America

*Palo Alto, CA

ES America*Houston, TX

Mesagne

Trento

Padova

Bergamo

Torino

Firenze

Competence Center

ES Turkey*Istanbul

ES Italy*Trento

EnginSoft Turkey

Teknopark İstanbul Teknopark Bulvarı

Sanayii Mah. No:1/1A 311 34906 Pendik İSTANBUL

EnginSoft UK

University of Warwick Science ParkThe Venture Centre Sir William Lyons RdCoventry CV4 7EZ

EnginSoft Nordic

IDEON Science Park223 70 Lund

Sweden

EnginSoft Germany

Berner Straße 107 60473, Frankfurt am Main

EnginSoft France

88, Avenue du Genéral Leclerc Bat.A92100 Boulogne Billancourt

Presenza Globale



EnginSoft: Caratteri distintivi

� Competenze multidisciplinari e Servizi ad altissimo valore aggiunto� Tecnologie best in class e trasferimento tecnologico� Formazione, Alta Formazione e Training-on-the-job� Progetti di ricerca e Laboratorio accreditato dal MIUR per progetti di

trasferimento tecnologico nel settore del CAE e della sperimentazione virtuale

60+



Cosa serve, dal punto di vista tecnico/industriale , ad un’azienda manifatturiera (start up o già consolidata) per com petere con successo sui mercati (globali)?

� Avere una buona idea (innovativa)� Saperla tradurre in un concept di prodotto (con attenzione ai servizi connessi)� Sviluppare il prodotto in tempi rapidi (TTM) e con costi adeguati� Ottimizzare le fasi produttive (qualità, produttività)� Saper adeguare il prodotto e la produzione alle esi genze del mercato ( flessibilità )� …….

Quali sono i principali fattori abilitanti?

� Disporre di persone motivate e con competenze adeguate� Utilizzare metodologie, strumenti SW e tecnologie idonee

A. Messina - CRO - Enginsoft SpA

Premessa


21 Ottobre 2016

SBES - Simulation Based Engineering Science

Simulation Based Engineering Science (SBES)

Definizione di SBES*La fusione di conoscenze e tecniche

dell’ingegneria tradizionale con le

conoscenze e tecniche della ‘computer

science’, della matematica e delle

scienze fisiche e sociali.

*Rapporto del Blue Ribbon Panel sulla SBES 2006 by National Science Foundation - USA




Pay-off della SBES* :

� Medicina : La maggior parte delle malattie (cardiache, respiratorie, neoplastiche, …) e delle

relative cure… comportano reazioni fisiche complesse ed interazioni tra sistemi biologici dal

livello molecolare alla scala dell’organismo. La simulazione ne può aumentare radicalmente

la comprensione, e contribuire, quindi, al miglioramento delle cure ….






� Sicurezza / Risk Assessment : in relazione allo sviluppo di sistemi che proteggano l’uomo e

le infrastrutture, e, quindi, in relazione all’ambiente (ad esempio rispetto alla polluzione di

inquinanti), a catastrofi naturali (terremoti, uragani), alla gestione delle riserve d’acqua ed

alimentari, alla distribuzione dell’energia…






� Industria : La SBES è ormai ovunque . La sua piena valorizzazione richiede, però:

� che si sviluppino sistematicamente modelli multi-scala ;

� che si espandano i metodi oggi disponibili per la simulazione, a livello macroscopico, di

processi manifatturieri , tenendo conto di comportamenti a livello meso e nano ;

� che si implementino sistemi capaci di trattare effettivamente l’integrazione di sistemi

complessi in ottica di ottimizzazione multi-obiettivo e multi-disciplinare , e di

progettazione robusta ;

� che si possa accertare la validità della sperimentazione virtuale attraverso tecniche

di validazione , verifica , e qualificazione delle incertezze .



� Riduzione TTM e Costi Sviluppo Prodotto� Incremento rapporto qualità/costi� Capitalizzazione Know-How

SBES in Industry: Engineering Simulation

� Enorme espansione dei metodi afferenti al settore.� Difficoltà di dare una definizione omni-comprensiva (e/o distintiva) alle discipline,

tecnologie e metodi

� Definizioni� Numerical simulation� Computer Aided Engineering (CAE)� Virtual Prototyping (VP), Virtual Testing (VT), Digital Prototyping (DP), Digital Testing

(DT), Digital Mock-up (DMU);� Intelligent Virtual Prototyping (iVP)� Process simulation (injection molding, metal forming, casting, forging, hydroforming, …)� Computer Aided Production Engineering (CAPE)




Analisi delle Tolleranze

Stampaggio Fonderia ForgiaturaIniezione di

materie plastiche

Gestione dati sperimentali

Urto Multibody Acustica Fluidodinamica 1D

Fluidodinamica 3D

Elettromagnetismo

Analisi strutturali

Capture Knowlege

Engineering Simulation:

the way to compete


Engineering Simulation

� Discipline

� Fluidodinamica� Meccanica� Elettromagnetismo� Acustica� Chimica� Materiali� Manufacturing� Multi-body� Impatto� Analisi accoppiate� Ottimizzazione� …

� Settori

� Automotive� Aerospace� Rail and Marine Industries� Oil & Gas� Energy� Turbomachinery� Mechanics/Structural� Civil Engineering� Electrical and Electronics� Appliances� Food and Beverage� Health Care / Biomechanics� Sport / Amusement� …



Automotive: Engineering Simulation



Automotive: Impatto

Crash test full scale

GOAL: optimization of biomechanical parameters



Automotive: Impatto & Biomechanics

Bugatti seat

Requirements:- composite material strength- metal parts strength- correct biomechanical behavior- scalability



Automotive: Impatto

Tablet-holder FGA X250

Requirements:- Force between 8 and 10 N- Avoid unfastening,

rear and lateral impacts ( Std EU & USA)- No rupture (small deformations are allowed)

As designed (CAD, no CAE) CAE driven design



Automotive: Impatto

Seal Mounting

PRESS

DOOR DOOR

CABINETSeal mounting Door closure



Automotive: Manufacturing

Plastic Injection Moulding Simulation of Lancia Y dashboard



Automotive: Manufacturing

Casting Simulation of Ford Iron Engine Block

Filling Solidification Residual StressesBased on�Coupled Navier-Stokes and

Fourier equationsDelivers�Temperatures, velocities,

pressures etc.�Cold shuts, air entrappments

Based on�Complex thermo physical properties�Fourier equationsDelivers�Temperatures, cooling rates, gradients �Shinkage defects, microstructure

Based on�Non-linear elastic - plastic approach�Temperature dependent material propertiesDelivers�Stress distribution before and after machining�Distortion



Automotive: Manufacturing – CAPE (Computer Aided Production Engineering)

IVECO Rear wall truck cab Robotised Welding Cells

Arc welding

LASER welding



Automotive: Virtual Factory

Factory overall simulation: layout, workplace, materials flow, ecc.



Aerospace & Defence



Marine Industries



Oil & Gas and Energy



Oil & Gas: Impatto

Wellhead Safety Valve Shear Ram System

PunchersShear Ram



Oil & Gas: Impatto

Wellhead Safety Valve Shear Ram System



Household AppliancesPyrolitic oven

CFD and Structural Analysis

Washing machine dynamics

Optimisation the air distribution in the fridge and freezer

compartments



Appliances/ Packaging: Impatto

Fridge drop test

Modello FEM del frigorifero ed imballaggio

LDPE shrink film polietilene a bassa densità



Food & Beverage / Packaging: Multy-body

Glue Applier

CAM Test CAM Design – Inverse Kinematics



Calzaturiero: Biomeccanica

Simulazione calzabilità e comfort di calzatura con tacco

Andamento pressioni di contatto

Stato tensionale

Simulazione della calzataPosizionamento

sensori

Confronto Pressioni si contatto su suola

Sperimentali Simulazione



SBES: Tecnologia determinante per Industry 4.0

Industry 4.0The Future of Productivity and Growth in Manufacturing Industries.

«Manufacturing will be transformed from single automated cells to fully integrated, automated facilities thatcommunicate with one anotherand boost flexibility, speed, productivity and quality»

«Although the full shift towardIndustry 4.0 might take over 20 years to reach fruition, in the next5 to 10 years key advances will ve established and winners and loosers will emerge»





SBES: Tecnologia determinante per Industry 4.0

Big data and analytics

Autonomousrobots

Horizontal and verticalsystem integration

The IndustrialInternet of Things

CybersecurityThe cloud

Additivemanufacturing

Augmentedreality

Simulation

KNOW-HOW CONTROLDIGITAL TWIN

DESIGN FORADDITIVE

MANUFACTURING

ORDER FROM CHAOSMETA-MODELLING

MECHATRONICS

THINGS – SENSORSANTENNAS

CO-SIMULATION



Industry 4.0 senza 3.0?

Soluzioni tradizionali – Livello di Implementazione

The most complex traditional solutions are still barely i mplemented. Can we do the 4th industrial revolution if we didn’t do the 3rd?

The most complex traditional solutions are still barely i mplemented. Can we do the 4th industrial revolution if we didn’t do the 3rd?

67%47%

31% 31% 29% 28% 28% 22% 15% 14% 12% 11%

21%

37%

31% 34%28%

40% 34%31% 37% 37%

27% 25%

12% 17%

38% 35% 43%32% 38%

47% 48% 50%61% 64%

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

Not ImplementedPartially ImplementedFully Implemented

Traditional Solutions: implementation level*

*Osservatorio Smart Manufacturing 2016

- Politecnico di Milano Manufacturing Group

Final Remarks 1/2

� Il processo di sviluppo di nuovi prodotti non può piùprescindere dall’utilizzo di metodologie e tecnologiebasate sulla modellazione 3D e sulla simulazione

� «Digitalizzare» il processo di sviluppo prodotto deveessere il primo passo per intraprendere la via più generaledella digitalizzazione dell’impresa (Industry 4.0)

� Occorre superare il « digital divide» (soprattutto) delle SMEin termini di nuove competenze, metodi e strumenti

� Le start up di prodotto possono essere avvantaggiate inquanto possono (quasi sempre) essere considerate«native digitali»



Final Remarks 2/2

� Tuttavia per le start up l’utilizzo delle tecnologie di Engineering Simulation può avere un entry level molto costoso

� Per questo motivo sono utilissime iniziative pubblic he (hub tecnologici, laboratori, centri di competenze) e private (acceleratori di imp rese come INDUSTRIO) che rendano meno oneroso questo impegno tramite economi e di scala e sponsorshipdi partner tecnici

� EnginSoft è impegnata nella promozione dell’utilizzo d i queste tecnologie attraverso programmi Academy e partnership tecniche (es. INDUSTRIO)

� Lo scopo è di aiutare a fare crescere le start up.. . con la speranza che poi diventino veri e propri Key clienti/partner



Ing. Angelo Messina

Chief Research & Development Officer

EnginSoft SpA

VIRTUAL PRODUCT DESIGN IN

MANUFACTURING

[email protected]

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