Esercizi: Progettazione assistita dal computer

Spiega con parole tue che cos'è la progettazione assistita dal computer (CAD) e nomina due cose che puoi fare con un modello virtuale prima di realizzarlo (ruotarlo per vederlo da ogni lato, misurarlo, modificarlo). Perché secondo te quasi nessun oggetto moderno si progetta più solo su carta?

In classe si usano tre programmi: Tinkercad (pezzi in 3D unendo forme, molto semplice e nel browser), SketchUp (modellazione 3D di oggetti e spazi) e LibreCAD (disegni in 2D). Scegli quale useresti per ciascun compito e giustificalo: (a) la pianta in due dimensioni dell'aula con le sue misure, (b) un portachiavi in 3D da stampare e (c) il modello 3D della biblioteca della scuola.

I pezzi di CAD si costruiscono a partire da primitive: forme di base già pronte come il cubo, il cilindro, la sfera o il cono. Indica quale primitiva sceglieresti come punto di partenza per modellare ciascun oggetto e perché: (a) una tazza, (b) un dado, (c) un gelato in cono e (d) un pallone.

La figura mostra, in alto, tre primitive di CAD e, in basso, due operazioni che combinano forme, ma senza dare loro un nome.

1. a) Nomina le tre primitive in alto (primitiva 1, 2 e 3).
2. b) Deduci quale operazione è ciascuna di quelle in basso (operazione a e operazione b) —l'unione di due forme o la sottrazione di una dall'altra—, ragionando su che cosa è successo alle forme originali in ciascun risultato.

L'estrusione trasforma una figura piana in un solido dandole spessore, come se tirassi la figura verso l'alto. Spiega l'idea con un esempio quotidiano (una macchina per i churros che dà forma all'impasto, un biscotto tagliato con uno stampino e sollevato) e indica quale solido si ottiene estrudendo: (a) un cerchio, (b) un quadrato e (c) una stella.

Elenca tre vantaggi di progettare un pezzo al computer invece di costruire direttamente il prototipo in legno o cartone, pensando a: il materiale che si spreca quando si sbaglia, quanto è facile cambiare una misura e la possibilità di mostrare il progetto a qualcuno che è lontano.

Aprendo un programma di CAD 3D vedi l'area di lavoro con una griglia, un cubo delle viste in un angolo e una barra con le forme disponibili. Spiega a che cosa serve ciascuno di questi tre elementi e perché la griglia aiuta a posizionare i pezzi con precisione.

Un bicchiere si può modellare sottraendo un cilindro piccolo a un cilindro grande: quello piccolo svuota l'interno. Ragiona su quali due operazioni (unione o sottrazione) useresti per modellare questi oggetti e con quali primitive: (a) un anello, (b) un calamaio con il suo foro e (c) un semplice martello (manico e testa).

Scrivi la procedura di modellazione di un bicchiere in Tinkercad, passo dopo passo: quale cilindro crei per primo e con quali misure, come trasformi il secondo cilindro in «foro», che cosa fa l'operazione di raggruppamento e come verifichi che la parete abbia lo spessore che volevi.

La figura mostra la schermata di un programma di CAD con un modello terminato e le tre viste che il programma genera a partire da esso, indicate come vista a, vista b e vista c.

Identifica quale vista (a, b o c) è il prospetto, quale la pianta e quale il profilo del modello, e spiega quale vantaggio ha il fatto che il programma le generi automaticamente invece di disegnarle a mano, soprattutto quando si modifica il modello.

Vuoi modellare un portachiavi a forma di osso per il cane di un'amica: un cilindro spesso a ciascuna estremità e una barra in mezzo, più un foro per l'anello. Descrivi la sequenza di operazioni nel programma (primitive, unioni e sottrazioni, in ordine) e stima le misure in millimetri che gli daresti perché stia in una tasca.

Un compagno vuole fare la pianta della sua camera in Tinkercad e ci mette il doppio del tempo rispetto a un programma di disegno 2D come LibreCAD. Spiega quale tipo di compito è proprio di un CAD 2D e quale di un CAD 3D, e ragiona sul perché usare il programma sbagliato rende il lavoro più lento anche se entrambi «disegnano pezzi».

In CAD ogni forma si posiziona con misure esatte: larghezza, lunghezza e altezza in millimetri. Confronta questo modo di lavorare con il disegno a mano libera: che cosa si guadagna in precisione, che cosa si perde in rapidità per una prima idea e in quale momento della progettazione conviene ciascuno.

Quando il modello è terminato si esporta in un file per condividerlo o stamparlo. Spiega quali informazioni credi che quel file memorizzi del pezzo (la sua forma, non i bei colori) e perché per la stampa 3D si usa un formato specifico chiamato STL, che descrive la superficie del pezzo con piccoli triangoli.

Nel programma hai già modellato una gamba di uno sgabello. Spiega quali operazioni useresti per completare lo sgabello senza rimodellare la gamba altre tre volte (copiare, ruotare e spostare la gamba esistente) e quale precauzione devi avere nel posizionare le copie perché lo sgabello non risulti storto.

Stampando in 3D un modello escono due pezzi separati che dovrebbero essere uno solo: nel programma erano «vicini» ma non raggruppati, si limitavano a toccarsi. Spiega la differenza tra raggruppare due forme (che diventano un pezzo unico) e lasciarle semplicemente appoggiate, e come lo verificheresti nel programma prima di stampare.

Pianifica la modellazione completa di un supporto per cellulare da scrivania: una base, uno schienale inclinato e un fermo anteriore. Descrivi le primitive che useresti per ciascuna parte, le operazioni di unione o sottrazione in ordine, le misure approssimative in millimetri e un controllo finale prima di considerare valido il modello.

Dalle viste ortogonali di un pezzo tecnico si osserva:

• Prospetto: sagoma a «T» simmetrica di larghezza totale $60\ \text{mm}$, altezza $40\ \text{mm}$, una barra superiore di altezza $20\ \text{mm}$ e un pilastro centrale di spessore $20\ \text{mm}$.

• Pianta: rettangolo di $60 \times 25\ \text{mm}$ con gli spigoli nascosti del pilastro centrale.

• Profilo sinistro: rettangolo di $25 \times 40\ \text{mm}$ con uno spigolo visibile orizzontale che separa la barra dal pilastro.

1. a) Deduci la forma 3D del pezzo e descrivi due strategie diverse per modellarlo in CAD: una mediante unione di primitive e l'altra mediante un grande blocco a cui si sottraggono parti vuote. Specifica le misure di ciascun prisma in entrambi i metodi.
2. b) Un compagno afferma che per verificare se il modello CAD coincide con il disegno basta ruotare la vista libera con il mouse. Giustifica perché questo metodo induce in errore e spiega come devi usare il cubo delle viste e la proiezione ortogonale del programma per verificare ogni vista normalizzata.

Un pezzo deve avere: un blocco di base, due fori passanti laterali e un incavo nella parte superiore. Ragiona se l'ordine delle operazioni di sottrazione è importante, che cosa può succedere se esegui l'incavo prima dei fori (o viceversa) e scrivi la sequenza che seguiresti tu, giustificando ogni passaggio.

Nel gruppo di progettazione di un progetto emergono due posizioni contrapposte su quale strumento usare in ciascuna fase:

1. Sofia sostiene che bisogna accendere il computer e modellare direttamente in CAD fin dal primo minuto, senza fare nessun bozzetto preliminare a matita.

2. Marco sostiene che è una perdita di tempo trasferire in CAD il supporto di una puleggia se hanno già un disegno quotato perfetto, fatto a mano con squadra e righello, pronto per essere realizzato in laboratorio.

Confuta con argomenti entrambe le posizioni:

1. a) Giustifica due svantaggi dell'iniziare a progettare direttamente in CAD nella fase di brainstorming (considera la rapidità nell'esplorare alternative e il rischio di bloccare la creatività fissandosi su misure premature).
2. b) Giustifica due vantaggi tecnici decisivi del modellare il pezzo in CAD prima di realizzarlo (ad esempio per la simulazione dell'assemblaggio con altri pezzi, il rilevamento delle interferenze o l'esportazione verso la fabbricazione digitale) rispetto al disporre soltanto del disegno su carta.

Per riorganizzare l'aula-laboratorio di Tecnologia ($12 \times 8\ \text{m}$) e verificare che siano rispettati i corridoi di sicurezza di $1,2\ \text{m}$ tra le macchine, il gruppo deve modellare lo spazio e gli arredi. Uno studente insiste per usare Tinkercad, mentre un'altra propone di usare un software come SketchUp.

1. a) Analizza due gravi difficoltà tecniche che incontrereste cercando di modellare l'intera aula in Tinkercad (considera i limiti e la scala abituale del piano di lavoro, e come influirebbe sulle prestazioni del browser accumulare decine di banchi e utensili complessi tramite unione di primitive).
2. b) Giustifica quale dei due programmi è più adatto a questo progetto specifico, spiegando quali vantaggi offre (come il lavoro in scala reale con quote architettoniche o l'inserimento di componenti predefiniti) rispetto alla modellazione con solidi di base.

Il tuo modello ha dettagli molto fini: lettere in rilievo di mezzo millimetro e piccole zampe di $1\ \text{mm}$ di spessore. Prevedi quali problemi avrà un pezzo così stampato in 3D e ridisegna su carta quei dettagli perché sopravvivano alla stampante, spiegando quale criterio hai seguito (spessori minimi, dettagli superflui).

Tre studenti lavorano contemporaneamente su Tinkercad alla progettazione collaborativa di un ponte tramite un link condiviso. Alla fine della sessione scoprono tre errori:

1. Un compagno ha cancellato senza volere la struttura di travi che un altro aveva terminato, perché l'ha selezionata trascinando un riquadro di selezione per spostare il proprio pezzo.

2. Due moduli progettati separatamente non combaciano nell'assemblaggio finale perché uno è stato progettato con una griglia di $1\ \text{mm}$ e l'altro con una griglia di $0,1\ \text{mm}$ senza concordare quote e punti di aggancio, quindi risultano disallineati.

3. Si è perso il lavoro degli ultimi $20$ minuti di uno di loro perché la connessione wifi del laboratorio ha avuto microinterruzioni e il browser non ha sincronizzato le modifiche.

1. a) Spiega quale caratteristica tecnica o limite del lavoro in cloud ha provocato o aggravato ciascuno di questi tre incidenti.
2. b) Progetta un protocollo di lavoro di squadra (con tre regole operative concrete) per evitare che questi problemi si ripetano nella modellazione collaborativa.

In un'officina di produzione, uno studente in tirocinio afferma: «Il disegno tecnico tradizionale e le viste normalizzate sono morti; basta progettare il pezzo in 3D al computer e inviare il file alla macchina».

Tuttavia, il responsabile dell'officina rifiuta il pezzo ed esige il disegno tecnico quotato in 2D prima di iniziare la lavorazione.

1. a) Confuta l'affermazione dello studente spiegando perché un modello 3D da solo non basta per realizzare con precisione un pezzo reale (menziona almeno due dati critici che un modello 3D privo di annotazioni non specifica e che invece il disegno tecnico riporta, come tolleranze di accoppiamento, finiture superficiali o quote di verifica nel controllo qualità).
2. b) Immagina che il pezzo venga realizzato direttamente dal file 3D senza un disegno di controllo preventivo. Prevedi che cosa accadrà quando bisognerà assemblare quel componente con altri pezzi e come la conoscenza delle proiezioni ortogonali (prospetto, pianta e profilo) permetta di individuare gli errori prima della produzione.