Recenti tecnologie innovative si sono dimostrate efficaci come supporto ai progettisti nelle fasi di sviluppo di prodotto. Appropriati metodi e strumenti di prototipazione virtuale vengono impiegati nella progettazione e validazione di prodotti industriali.
La fase di sviluppo di un prodotto comprende molteplici attività di progettazione e di verifica che impegnano i progettisti a revisionare, modificare e validare nuovamente e più volte il progetto prima di consolidarlo e avviarlo alla fase di produzione. Poiché le fasi di revisione allungano i tempi di progettazione, e di conseguenza il costo complessivo del progetto, le aziende sono interessate a introdurre metodi e tecnologie per assistere il processo di progettazione in modo efficace ed efficiente, così da ridurre i tempi di attuazione, e quindi i costi, aumentando contestualmente la qualità del prodotto. Sin dai primi anni dell’introduzione del calcolatore, molteplici applicazioni e tecnologie sono state sviluppate a supporto dell’attività di progettazione.
Il settore del design industriale si differenzia da quello della progettazione tradizionale (settore della meccanica), poiché il processo di sviluppo di prodotto deve rispondere ad alcuni requisiti tipici del settore, quali il prodotto è bello, usabile, accettabile dall’utente finale, risponde a requisiti di ergonomia? Gli strumenti a supporto del design industriale privilegiano aspetti, quali la modellazione e visualizzazione realistica della forma del prodotto, la valutazione globale del prodotto, considerando contesto e ambiente, la valutazione contestuale del prodotto, considerando l’interazione dell’utente con lo stesso.
Le recenti tecniche e tecnologie di prototipazione virtuale permettono di rispondere a requisiti di design industriale. Scopo del prototipo virtuale è quello di fornire ai progettisti strumenti di progettazione e validazione facili da utilizzare, che migliorino la qualità del prodotto e che al tempo stesso riducano la necessità di fabbricare prototipi fisici, che sono costosi, richiedono tempo, non permettono facili modifiche, configurazioni o varianti, e spesso non consentono più iterazioni di validazione e verifica.
Il prototipo virtuale consente la validazione di vari aspetti di prodotto, quali:
– aspetti estetici
– aspetti funzionali
– aspetti ergonomici
Ciascuno di questi aspetti verrà trattato nel dettaglio nei seguenti capitoli.
PROTOTIPI VIRTUALI E DESIGN
Le pratiche tradizionalmente utilizzate nel design industriale, come per esempio l’uso di maquette e modelli fisici, sono oggi affiancate o sostituite da pratiche che sfruttano l’uso del computer. Applicazioni per la realizzazione di prototipi virtuali permettono di descrivere un prodotto nella sua forma e caratteristiche (materiale, colore, comportamento eccetera) utilizzando appropriate tecniche e strumenti, i quali sono usati in modo efficace sia nella fase iniziale di concezione di prodotto, sia nella successiva fase di progettazione.
Il realismo nella rappresentazione è ottenuto mediante l’associazione di parametri al modello geometrico del prodotto, quali materiali, colori, texture eccetera, e mediante l’applicazione di un modello di illuminazione. Varianti morfologiche sono facilmente realizzabili e visualizzabili a supporto di confronti fra le varie soluzioni. Negli ultimi anni sono apparse tecniche e tecnologie di visualizzazione più sofisticate che permettono all’utente di percepire meglio le caratteristiche dei prodotti. Tali tecniche, denominate con i termini di realtà virtuale (VR) e realtà aumentata (AR), permettono di percepire i prodotti virtuali in modo più realistico e più simile al modo di percepire degli utenti nel mondo reale. Sistemi VR fanno uso di caschetti, visori, occhiali, che permettono di percepire in stereoscopia i modelli visualizzati. Alcuni sistemi consentono la visualizzazione stereoscopica di prodotti virtuali in grandezza reale (large screen, workbench, CAVE e altri). Infine, sistemi di AR consentono di sovrapporre immagini o testo al mondo reale, aumentando l’informazione resa all’utente.
SIMULARE LE FUNZIONI
A differenza delle tecniche di animazione che mostrano il prodotto e il suo comportamento in modo verosimile, in campo ingegneristico molteplici tecniche e strumenti permettono di ottenere simulazioni di tipo realistico, dove le caratteristiche del prodotto e il suo comportamento vengono replicati tenendo conto dei principi e delle leggi della meccanica e della fisica. Particolarmente innovative sono le tecniche di simulazione di tipo physics-based che simulano il comportamento di corpi, applicando le leggi della fisica.
Un ambito nel quale questa tecnica è particolarmente diffusa è quello della simulazione del tessuto e dei capi d’abbigliamento al fine di ottenere dei prototipi virtuali 3D dai quali ricavare informazioni utili per la validazione stilistica e funzionale del progetto; ciò consente di ridurre il numero e il ruolo dei prototipi fisici richiesti durante le fasi del processo di sviluppo del capo.
Questo metodo permette, infatti, di simulare diversi livelli di complessità del tessuto: da semplici teli di stoffa (si veda la figura 1) fino ad articolate strutture tessili. La simulazione del telo di stoffa è stata ottenuta utilizzando un simulatore di corpi non rigidi basato su un modello discreto a particelle sviluppato dal gruppo di ricerca KAEMaRT (www.kaemart.it). Un significativo esempio di abito elaborato è rappresentato dalla giacca da uomo. In questo caso, il prototipo virtuale è ottenuto assemblando i pannelli 2D corrispondenti ai vari componenti della giacca su un manichino parametrico 3D secondo regole di cucitura e altri vincoli di costruzione. Inoltre, per rendere più accurata e realistica la simulazione, sono state considerate anche le caratteristiche dei tessuti e le interazioni con l’ambiente esterno.
ERGONOMIA PER STARE MEGLIO
La validazione di aspetti ergonomici di un prodotto prevede in generale la validazione di parametri quali:
– efficacia: se e come viene svolto un certo compito (obiettivo);
– efficienza: lo sforzo richiesto all’utente al fine di raggiungere un certo livello di efficacia;
– soddisfazione: grado di comfort percepito dall’utente.
Esistono oggi tecnologie che supportano la validazione di alcuni dei parametri sopra citati. Alcuni sistemi permettono simulazioni di aspetti ergonomici eseguite in ambiente completamente virtuale, ove sia il prodotto sia l’utente che interagisce con esso sono virtuali. Altri sistemi prevedono l’interazione di utenti reali con prototipi virtuali, spesso tramite l’uso di tecnologia AR/VR (si veda la figura 2).
Per quanto riguarda l’interazione di un utente virtuale con un prodotto virtuale, sono disponibili sistemi che supportano la modellazione di manichini virtuali e la simulazione dell’interazione degli stessi con sistemi e ambienti virtuali. Una delle applicazioni tipiche riguarda la validazione del comfort del passeggero in una autovettura, di aspetti quali la visuale nelle varie posizioni del guidatore, della raggiungibilità di strumentazione del cruscotto eccetera. La figura 3 mostra un esempio di simulazione di postura durante la guida. L’interazione dell’utente reale con il prototipo virtuale avviene per lo più attraverso la visualizzazione. Il realismo ottenibile è molto elevato, ma la sola visione non è sufficiente per la validazione di alcuni aspetti, quali aspetti ergonomici, che richiedono tecniche e livelli di interazione più elevati.
NUOVE MODALITà DI INTERAZIONE
Si è visto come le attuali tecnologie permettono di definire e valutare le forme, l’aspetto estetico dei prodotti e il loro comportamento tramite la loro rappresentazione visuale. Nella realtà, la validazione di alcuni aspetti, per esempio aspetti di tipo estetico (continuità e regolarità di una superficie), funzionale (montaggio, smontaggio), ed ergonomico (usabilità e piacevolezza nell’uso di un prodotto) necessita dell’interazione tattile dell’utente con il prodotto, cosa che ancor oggi non è fattibile attraverso l’uso del prototipo virtuale.
Al fine di attribuire al prototipo virtuale le caratteristiche e le modalità d’uso del prototipo fisico sono stati recentemente introdotti strumenti e sistemi i quali permettono di «toccare» il prototipo virtuale interagendo fisicamente con esso, percependone le caratteristiche di superficie, di materiale, di texture eccetera.
Questi strumenti, denominati dispositivi haptic, sono utilizzabili sia nella fase di modellazione del prodotto, sia nella fase di validazione dei molteplici aspetti. Nella fase di generazione di prodotto, tali strumenti permettono di modellare la forma, percependone col tatto le caratteristiche del materiale di cui sono fatti, così come nella realtà i modellisti operano su materiali tipo argilla, polistirolo eccetera. La tendenza è quella di poter utilizzare i dispositivi haptic per validare aspetti funzionali ed ergonomici di prodotti virtuali. La figura 4 mostra un esempio di interazione con un tubo flessibile eseguita da un utente il quale indossa un dispositivo haptic.
