Una pietra miliare nella storia del computer-aided design (CAD) è arrivata con il rilascio 1987 di Pro/ENGINEER, ora PTC Creo, che ha introdotto l’industria CAD alla modellazione parametrica basata sulla storia. Da allora, il paradigma parametrico è stato impiegato in quasi tutti i programmi CAD tradizionali, inclusi SOLIDWORKS, Autodesk Inventor, Creo Parametric, CATIA, NX e Onshape. Se hai fatto qualsiasi modellazione CAD negli ultimi due decenni, è probabile che tu abbia familiarità con la progettazione parametrica basata sulla storia.
In poche parole, la progettazione parametrica coinvolge gli ingegneri che costruiscono una geometria 3D pezzo per pezzo. Gli schizzi 2D si trasformano in funzionalità 3D, con vincoli e relazioni debitamente applicati per adattarsi all’intento del progettista. Tuttavia, poiché ogni passaggio segue i passaggi precedenti, la progettazione parametrica può richiedere un’attenta pianificazione.
Nonostante la potenza e la popolarità della modellazione parametrica, un altro paradigma CAD ha la sua quota di sostenitori: la modellazione diretta. Nella modellazione diretta, la geometria è re. Gli utenti non devono più preoccuparsi della storia della loro parte e possono invece agire direttamente sulla geometria 3D così com’è. Alcuni moderni sistemi CAD utilizzano la modellazione diretta invece della modellazione parametrica basata sulla storia, mentre altri forniscono una miscela di strumenti parametrici e diretti.
Per comprendere meglio le differenze tra la modellazione parametrica e quella diretta, quali casi d’uso potrebbero essere i migliori e come potrebbero continuare ad evolversi, abbiamo parlato con utenti CAD esperti e addetti ai lavori del settore per la loro interpretazione dei due paradigmi.
Modellazione parametrica
Prima di tutto, chiariamo la terminologia che stiamo usando. Il paradigma di progettazione sperimentato da Pro / ENGINEER è forse più propriamente chiamato “basato sulla storia”, in quanto è la natura lineare passo-passo del modello che lo differenzia davvero dalla modellazione diretta, che potrebbe anche essere chiamata ” senza storia.”
“Il software CAD basato sulla storia si basa sull’utente per costruire una singola parte con una serie di funzionalità”, ha scritto l’utente CAD veterano Matt Lombard in un eBook sul software CAD Solid Edge di Siemens. “Il software ricorda le caratteristiche in ordine, e il modello deve risolvere queste caratteristiche in ordine perfettamente ad ogni passo per andare avanti. Puoi pensare a questo metodo di costruzione del modello come a un programma per computer. Si forniscono le istruzioni del computer per ogni passaggio ed esegue tali passaggi per ogni volta che il modello deve essere ricostruito.”
Tuttavia, la modellazione basata sulla storia viene spesso definita” parametrica ” e quindi tratteremo i due termini come simili. Basta tenere a mente questo avvertimento di Lombard: “Le persone spesso hanno l’idea sbagliata che solo il software basato sulla storia sia parametrico. Parametrico significa che il modello è guidato da parametri, che possono includere dimensioni, istanze di pattern, spessori delle pareti, diametri e profondità dei fori e così via.”
L’analogia di Lombard di un programma per computer è apt per la modellazione parametrica. Proprio come quando si scrive un programma, più un ingegnere pensa in anticipo su ciò che sta cercando di essere realizzato, migliore è il risultato finale. Anche se un modello, come un programma, può essere messo insieme al volo, potrebbe essere sciatto e difficile da modificare per altri ingegneri.
Roland Schwarz, un altro utente CAD esperto, ha sottolineato che questo fatto di modellazione parametrica può essere un’arma a doppio taglio.
“Se lavori con qualcuno che è veramente bravo a parametrizzare e strutturare il loro progetto in un modo buono, ponderato e rigoroso, è fantastico”, ha detto Schwarz. “Ma puoi avere qualcuno che entra lì e braciole e cambiamenti e ha roba copiata nei posti sbagliati, e non c’è un sistema logico ad esso. Questo è quando diventa disordinato, e voglio solo iniziare da zero con un’esportazione e un’importazione.”(L’esportazione e l’importazione del modello rimuove la cronologia delle funzionalità e la trasforma in quella che viene chiamata “geometria stupida”, che è solo la geometria senza intenti progettuali).
I migliori progettisti CAD parametrici sono così abili a strutturare i loro progetti che a volte possono essere identificati solo guardando uno dei loro modelli, come se avessero lasciato impronte digitali sull’albero della storia. Anche se il modello finale è esattamente lo stesso, ci sono molti modi per arrivarci—e alcuni sono sicuramente meglio di altri.
“E la mia strada è la migliore”, ha scherzato Schwarz. “Questo è ciò che ogni buon modellatore CAD dirà.”
La modellazione parametrica è estremamente utile per prodotti che sono guidati da dimensioni—si pensi tariffa ufficio standard come scrivanie e scaffalature o strumenti che possono variare in dimensioni. Con l’approccio parametrico, gli ingegneri possono creare rapidamente e facilmente diverse configurazioni dei loro progetti.
Ma da dove vivono i modellatori non così rigorosi, le crepe hanno iniziato ad apparire nel paradigma della modellazione parametrica.
“A volte penso che tu possa impantanarti nella storia”, ha detto Bruce Bartlett, un altro veterano del CAD. “Per quanto la storia ti dia la possibilità di cambiare le cose rapidamente, lo svantaggio è che se non capisci come è costruito o se hai qualcuno che sta costruendo cose che diventano un po’ fuori controllo, puoi passare più tempo a guadare l’albero della storia piuttosto che afferrare alcune facce e spostarle.”
Un’altra debolezza della modellazione parametrica è che all’aumentare del numero di funzionalità, aumenta anche il calcolo richiesto per aggiornare il modello.
“Se si dispone di una parte con 1.000 funzionalità nell’albero della storia, quando si modifica l’ultima funzionalità in quell’albero si passa molto rapidamente”, ha spiegato Dan Staples, vice presidente di Siemens PLM di mainstream engineering. “Ma quando si modifica la prima funzione in quell’albero, potrebbe richiedere molto tempo perché deve calcolare tutti i 1.000 in mezzo prima di arrivare alla funzione 1.001 st.”
Con il suo equilibrio di punti di forza e di debolezza, la modellazione parametrica è l’opzione migliore per la progettazione CAD? Staples non la pensa così.
“La nozione di modificare una dimensione per ottenere un risultato molto prevedibile che rispetti l’intento del designer è intrinsecamente preziosa”, ha affermato. “L’implementazione nota come progettazione basata sulla storia, fatta da Pro / ENGINEER nel 1987 e copiata praticamente da tutti gli altri ora negli ultimi 25 anni, non è il modo più efficiente per modificare quella dimensione.”
Staples, naturalmente, sostiene la tecnologia sincrona di Siemens, un paradigma di cui parleremo più avanti.
Modellazione diretta
Come indica il nome, direct modeling offre ai progettisti un approccio what-you-see-is-what-you-get per costruire e modificare i loro modelli.
“Ci sembra essere senza fine di esperti discutono, finemente sfumata definizioni e varianti di questo termine, ma in generale, la modifica diretta è un CAD metodo di manipolare direttamente le facce del modello, piuttosto che indirettamente modifica definizioni di funzioni o schizzi…come la geometria è fatta davvero non importa e, francamente, non è così interessante come la geometria è cambiato, Lombardo”, ha scritto.
Nella modellazione diretta, i progettisti possono spingere e tirare il loro modello per cambiarlo. Uno dei vantaggi di questa funzionalità è la facilità con cui i progetti possono essere modificati, consentendo una rapida iterazione e prototipazione. Per questo motivo, direct modeling ha trovato una nicchia nel mondo del design industriale, dove le curve fluide e l’estetica audace giocano un ruolo importante.
“Ci sono casi d’uso, come design altamente organico, sculpting, concept design, generative design e de-featuring per l’analisi, in cui un set di strumenti totalmente non parametrici può essere una scelta eccellente e talvolta la migliore”, ha affermato Dave Corcoran, co-fondatore di Onshape e vice presidente di ricerca e sviluppo.
Inoltre, senza le dipendenze e la storia della modellazione parametrica, la modellazione diretta può eliminare alcuni dei problemi della scarsa progettazione parametrica.
“Penso che il vero test di un modellatore CAD non sia quello che possono fare, è quello che possono cambiare. La modellazione diretta apre decisamente il campo su cosa possono cambiare senza causare un’interruzione completa”, ha detto Schwarz.
La possibilità di cambiare un modello senza preoccuparsi di romperlo può significare molto, soprattutto per le aziende che cercano di estendere l’utilità del loro modello CAD. Schwarz ha descritto i modelli CAD come asset e, come qualsiasi altro asset, richiedono un investimento per essere protetti.
” Un sacco di tempo e denaro va a fare un modello CAD, e si desidera proteggere quelli, e si desidera che rimangano utili. La modellazione diretta proteggerà quell’investimento”, ha spiegato Schwarz.
Ma la modellazione diretta ha una propria quota di inconvenienti.
“La maggior parte dei sistemi senza storia non si occupano bene con la modifica delle dimensioni e ottenere un risultato prevedibile,” Staples ha detto. “A volte sentirai la gente parlare di un tipo di sistema push-me-pull-you, e sembrano molto sexy, ma quando arriva il momento di spingere alla fine della giornata, vuoi davvero essere in grado di modificare le dimensioni e creare luoghi dimensionali e così via.”
Un altro problema con la modellazione diretta è che, per la maggior parte dei modellatori CAD, semplicemente non è quello a cui sono abituati. Dopo anni di esperienza con la progettazione parametrica—e anni di abituarsi alle sue carenze—potrebbe esserci solo una mancanza di motivazione a considerare un’alternativa.
“Non penso che la modellazione parametrica andrà via presto”, ha detto Schwarz. “C’è una grande popolazione di utenti là fuori che sono ben picchettati e piace, o almeno sono a loro agio con esso e non vanno da nessuna parte. Penso che la modellazione diretta sia un enorme passo avanti. Allo stesso tempo penso che ci sia una cultura che deve evolversi intorno ad esso—dove diventa più accettato e più compreso sui modi migliori per usarlo—soprattutto in termini di gestione di un progetto di modellazione durante la vita di un prodotto o anche la vita del suo sviluppo iniziale senza farlo diventare un problema più grande di una soluzione.”
Sfocatura della linea tra i paradigmi di progettazione
La maggior parte dei sistemi CAD tradizionali offre una combinazione di strumenti parametrici e diretti, anche se la capacità di questi strumenti può variare.
“Onshape è un modellatore parametrico, ma ha un po ‘di modellazione diretta costruita sopra”, ha spiegato Bruce Bartlett, un utente di Onshape. “È una modellazione diretta, ma è ancora parametrica. A volte vorrei che potesse essere solo un puro modellatore diretto, e potremmo semplicemente spostare le facce senza alcuna storia.”
Ciò a cui Bartlett si riferisce è che anche se questi strumenti agiscono come strumenti di editing diretto, creano comunque funzionalità nell’albero della cronologia. Poiché la vera modellazione diretta è priva di storia, questo approccio è solo quasi diretto. Come Onshape, SOLIDWORKS offre anche strumenti di modifica diretta che possono essere utili agli utenti per determinate attività, ma alla fine lasciano le funzionalità nell’albero della cronologia, mantenendo i potenziali problemi della progettazione parametrica.
Altri programmi CAD implementano gli strumenti ibridi in modi diversi. Fusion 360 di Autodesk, ad esempio, consente agli utenti di operare in modalità di modellazione parametrica o diretta. In modalità diretta, la cronologia di progettazione non verrà registrata affatto. Gli utenti possono anche convertire qualsiasi funzione in una funzione di modellazione diretta lasciando intatto il resto dell’albero della cronologia parametrica.
Siemens adotta un altro approccio, che chiama tecnologia sincrona, nel suo software CAD NX e Solid Edge. La tecnologia sincrona afferma di sposare in modo univoco il meglio delle capacità di modellazione parametrica e diretta in un unico ambiente.
“Con la tecnologia sincrona posso spostare le facce a mano o posso spostare le facce modificando le dimensioni”, ha spiegato Staples. “E abbiamo la tecnologia unica per capire tutto questo e preservare tutto questo intento progettuale mentre lo facciamo, ma senza il bagaglio di un albero storico o di qualsiasi ricalcolo.”
Staples ritiene che la tecnologia sincrona vada un passo avanti rispetto alla miscela ibrida di strumenti degli altri programmi CAD, eludendo alcuni problemi che possono sorgere nei sistemi che implementano la modellazione diretta come caratteristica nell’albero storico.
“Pensa a un caso semplice, un blocco con un buco in esso. Il foro ha un diametro di mezzo pollice. Hai modellato su questo per cinque anni, e ha 1.000 caratteristiche, e alla fine il tuo capo vuole cambiare quel diametro da mezzo pollice a 0,4 pollici. E pensi ‘ok, sto solo andando a dirigere edit this’, che aggiunge una funzione 1,001 st. Questo è un override che cambia il foro per essere 0,4 pollici.
” Sembra che tu abbia risolto il tuo problema. Ma quello che hai davvero fatto è aggiungere complessità all’albero della cronologia e invalidare l’intento di progettazione. Ora, quando qualcuno torna a quella parte un anno dopo, andrà a modificare la prima caratteristica nell’albero, e ricalcolerà e verrà sovrascritta più tardi nell’albero. Quindi questa nozione che aggiungere più funzionalità all’albero sta risolvendo qualche problema-sta risolvendo un problema a breve termine, ma aggiungendo molti più problemi al processo di ingegneria più in basso.”
Mentre alcuni utenti CAD possono avere riserve sulle affermazioni della tecnologia sincrona, coloro che la usano praticamente cantano le sue lodi. Ciò significa che la questione della modellazione parametrica vs diretta è discutibile e la tecnologia sincrona è la via da seguire? Dipende da chi lo chiedi.
“Non esiste un approccio di modellazione del prodotto ottimale per tutte le situazioni. Gli strumenti che sono troppo generalizzati e cercano di risolvere troppi casi d’uso in un set di strumenti tendono ad essere difficili da usare e troppo complicati”, ha detto Dave Corcoran di Onshape.
Alcuni utenti di Solid Edge hanno segnalato difficoltà nell’utilizzo della tecnologia sincrona in determinati scenari, come la modellazione di superfici complesse, una limitazione che Staples ammette. “Se stai facendo parti molto esteticamente gradevoli che richiedono un sacco di design basato sulla superficie, synchronous non è adatto a quello nel suo stato attuale”, ha detto.
Ci si potrebbe anche chiedere perché se la tecnologia sincrona è così vantaggiosa come affermano i suoi sostenitori, non è un paradigma più diffuso. Staples credono che la ragione è che Siemens è solo che molto più avanti della curva tecnologica, in gran parte a causa della sua proprietà del kernel Parasolid e D-Cubed constraint solving SDK. Ma forse c’è una ragione più semplice, che ha riassunto bene: “gli ingegneri non sono persone a cui piace cambiare molto.”La modellazione parametrica basata sulla storia è ancora il paradigma dominante nel mondo CAD e, nonostante i suoi inconvenienti, funziona perfettamente.
“A questo punto della storia SOLIDWORKS lavora per il 98% o meglio di ciò che qualcuno sta facendo là fuori”, ha detto Schwarz.
Nel corso del tempo, tuttavia, come nuove generazioni di ingegneri entrano nel mondo della modellazione CAD, forse i vecchi metodi basati sulla storia cederanno il passo a qualcosa di più simile alla tecnologia sincrona, e la distinzione tra modellazione parametrica e diretta potrebbe non essere più rilevante.
“Penso che nel tempo la linea si sfuocherà e sarà solo lati diversi della cassetta degli attrezzi”, ha detto Schwarz .
Nel frattempo, ecco un elenco non esaustivo di alcuni dei programmi CAD più importanti e a quale paradigma di progettazione aderiscono:
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La Modellazione Parametrica* |
Modellazione Diretta |
La Tecnologia Sincrona |
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*Tutte queste piattaforme includono anche alcuni aspetti della modellazione diretta.