La handbike del futuro è progettata con Creo
Utilizzabile da persone con o senza disabilità o malformazioni degli arti inferiori, la handbike è uno strumento di mobilità ciclistica su tre ruote. La sua struttura, semplice solo in apparenza, è composta da un telaio portante a cui sono collegati la forcella anteriore e un assale posteriore dalle caratteristiche innovative. Si tratta di un veicolo altamente sofisticato, dove numerosi fattori, perlopiù di natura biomeccanica, influiscono non solo sul benessere fisico del paratleta, ma anche sull'affidabilità del mezzo. L'ingegnere Marco Antonelli ha progettato una handbike innovativa contando sull'affidabilità, la simulazione delle prestazioni e la semplicità di modellazione offerte da Creo, la premiata piattaforma di progettazione assistita dal computer (CAD) di PTC.
Negli ultimi anni, grazie anche alle imprese di grandi personaggi sportivi, il paraciclismo ha avuto una notevole copertura mediatica ed è diventato uno degli sport più popolari e conosciuti per i disabili. Molti atleti di handbike sono ex subacquei o motociclisti che hanno subito una lesione del midollo spinale che li ha resi paraplegici, con paralisi della parte inferiore del corpo, o tetraplegici, con perdita del normale uso degli arti inferiori e superiori.
A differenza della bicicletta tradizionale, che sfrutta la propulsione delle gambe e dei piedi del ciclista, la handbike si sposta grazie alla forza delle braccia. Nella sua conformazione standard, la handbike è costituita essenzialmente da un telaio, al quale sono fissate una ruota anteriore e due ruote posteriori, e da un sedile, su cui è possibile sedersi o sdraiarsi. La ruota anteriore, oltre a essere collegata alle pedivelle mediante la catena, è parte integrante dello sterzo, mentre le due ruote posteriori garantiscono stabilità ed equilibrio.
Oggetti unici per atleti unici
Il mondo della handbike oggi è tecnologicamente molto avanzato. In termini di innovazione e di materiali, questi strumenti di mobilità ciclistica sono quasi paragonabili alla Formula 1. Tuttavia, nonostante il paraciclismo si sia progressivamente affermato, sono poche le aziende che dimostrano un reale interesse a investire pesantemente nella ricerca, se non per pochi privilegiati. Ciò è dovuto al fatto che i numeri sono ancora troppo bassi per sostenere i budget richiesti dallo sviluppo di questi mezzi e per intraprendere iniziative commerciali profittevoli.
Ogni paratleta ha caratteristiche fisiche peculiari, che rendono impossibile creare una serie standard adatta a tutti. Mentre le persone non disabili hanno almeno cinque taglie diverse di telaio, nonché diversi mezzi e componenti specifici per la postura, nel caso dei paratleti occorre tenere conto non solo di differenti corporature e pesi, ma anche di caratteristiche fisiologiche individuali basate sul tipo e sul grado di disabilità.
Ed è qui che entrano in scena i due protagonisti di questa storia di successo: da una parte l'ingegnere Marco Antonelli, professore universitario e designer industriale, dall'altra Creo, l'innovativa piattaforma di progettazione assistita dal computer (CAD) di PTC.
Un paio di anni fa Marco Antonelli si è imbattuto in un progetto a cui probabilmente non avrebbe mai pensato di dedicarsi. Mentre si trovava in un centro di medicina dello sport per seguire alcune attività professionali in cui era impegnato (insieme a Paolo Venerito, vicesegretario dell'ANMIL), gli fu offerta una proposta che finì per accettare, un po' per sfida e un po' per orgoglio professionale: realizzare una handbike con caratteristiche del tutto innovative rispetto a quelle attualmente utilizzate.
"Ho lavorato molti anni come progettista nel mondo delle corse automobilistiche, collaborando allo sviluppo di numerose soluzioni innovative con alcuni tra i più importanti designer del settore", racconta Marco Antonelli. Fondamentalmente, però, sono un ingegnere biomedico, quindi non è stato difficile passare dallo sviluppo di ausili per persone non disabili a soluzioni specifiche per persone che, purtroppo, sono impedite da problemi fisici. Combinando un'innata passione con l'esperienza maturata in anni di sviluppo prodotto, ho iniziato a interessarmi sempre di più a questo progetto, che gradualmente si è evoluto in un vero modello operativo completo per paratleti.
Il ruolo di Creo
La handbike è stata progettata con l'aiuto di una delle piattaforme più utilizzate al mondo, Creo, la soluzione per la progettazione assistita dal computer (CAD) di PTC. Questo ci ha permesso di ottenere risultati che non sarebbero stati possibili con altri software.
"Il grande vantaggio che Creo offre ai progettisti non sta tanto nelle sue feature, per quanto ragguardevoli, ma nel fatto che offra un ambiente armonioso, composto da un insieme di moduli che garantiscono una completa funzionalità e una perfetta integrazione dei dati. Questo è molto importante perché, a differenza di altri sistemi CAD disponibili sul mercato, tutte le informazioni di progetto sono immediatamente disponibili. Ciò permette di evitare, ad esempio, di dover convertire i formati dei moduli o importare file durante la simulazione, operazioni che richiedono molto tempo e che portano inevitabilmente alla perdita di informazioni."
In Creo il processo di progettazione è perfettamente integrato con la simulazione e, grazie alla disponibilità di Creo Simulation Live con tecnologia ANSYS, un ambiente di simulazione completo in tempo reale non solo è facile da sviluppare, ma è anche significativamente più rapido.
"La simulazione viene eseguita molto velocemente e, soprattutto, con un utilizzo di risorse di calcolo e memoria nettamente inferiore a quello richiesto da altri sistemi CAD che ho testato in progetti precedenti. Inoltre, l'affidabilità del calcolo è molto alta”, spiega Antonelli, che sottolinea anche un'altra feature chiave: la scalabilità retroattiva, che permette di mantenere la piena compatibilità con i file generati da versioni precedenti di Creo senza alcuna perdita di informazioni.
Anche il sistema di gestione degli sketch, punto di partenza della progettazione, è efficiente e veloce e, come la simulazione, richiede solo un limitato impegno di risorse. Ciò consente di lavorare in modo efficiente senza dover necessariamente investire in piattaforme hardware ad alte prestazioni.
Modellazione e simulazione: due pilastri fondamentali
Affidabilità, semplicità di modellazione e potenti capacità di simulazione. Ma non è tutto... "Le funzionalità di Creo consentono di rendere l'innovazione parte integrante del processo di progettazione", continua Antonelli, che aggiunge: "tutto parte dalla modellazione e il punto di partenza prima di eseguire una simulazione strutturale è il modello originato dall'esperienza del progettista".
Quindi, il processo di progettazione comprende una serie di risultati che vengono elaborati in loop ciclici passo dopo passo e, all'evenienza, integrati con modifiche successive. Spesso, però, le modifiche apportate generano conflitti su feature secondarie, che a loro volta generano errori: è qui che un sistema di progettazione deve dimostrare la massima affidabilità del risultato.
"Creo è un sistema molto robusto che dispone di strumenti diagnostici puntuali e affidabili per risolvere eventuali conflitti e, di conseguenza, ricostruire correttamente i vincoli. Ciò lo rende diverso da altri sistemi che ho testato in passato, che spesso generavano falsi positivi e/o falsi negativi, qualcosa che non è mai successo nelle migliaia di ore che ho passato su Creo, nemmeno quando ho iniziato a usarlo 15 anni fa per sviluppare prodotti per il settore della difesa", evidenzia Antonelli.
Un Granite Kernel per la stabilità e l'interoperabilità
Il kernel di modellazione di Creo, Granite, è particolarmente efficace, veloce ed efficiente. A differenza di altri kernel, inoltre, rappresenta un'unica soluzione dedicata, il che significa che non è condiviso con clienti esterni. "Questo è senza dubbio un grande vantaggio, soprattutto in termini di ottimizzazione e di integrazione con altri moduli utilizzati da Creo", afferma Antonelli. "Come utente, ho davvero apprezzato l'eccezionale lavoro di integrazione che PTC sta facendo con ANSYS, che ha permesso di realizzare fantastici sistemi di simulazione. Con Creo, la sensazione è quella di lavorare in completa trasparenza, sempre nello stesso ambiente di lavoro: tutto è assolutamente lineare, non ci sono sorprese nell'importazione dei dati e si ha una visibilità completa degli altri moduli CAE, CAM o di simulazione."
Un punto importante è che con Creo è possibile accedere a tutte le fasi del progetto rimanendo sempre nello stesso ambiente. "Molti fornitori pubblicizzano le loro piattaforme modulari, ma questi cosiddetti moduli sono spesso prodotti di terze parti che, ahimè, sono scarsamente integrati", dice Antonelli. "Personalmente, con Creo non ho mai avuto la sensazione di accedere a strumenti esterni. Creo Simulation Live, ad esempio, è un tool che non solo è conveniente ed efficace grazie alla sua perfetta integrazione, ma è anche affidabile e veloce. Alcuni risultati di simulazione sono disponibili in pochi secondi."
Mesh precise grazie al metodo polinomiale e a una condivisione sicura tramite la realtà aumentata
Durante le varie fasi della progettazione, è abbastanza comune che i progettisti debbano perdere molte ore a creare mesh di superfici complesse e ad apportare semplificazioni per poter eseguire simulazioni in tempi ragionevoli.
Tuttavia, la semplificazione di una forma spesso può portare a variazioni che producono rilevanti deviazioni, dell'ordine di diversi punti percentuali, dal modello finale effettivo. "Non ho mai avuto questo problema da quando ho iniziato a utilizzare Creo", sottolinea Antonelli. "Uno dei punti di forza di Creo è il metodo polinomiale: al posto di un'approssimazione lineare, è possibile eseguire simulazioni polinomiali fino al nono grado. Ciò, da una prospettiva matematica, conduce a un grado di convergenza molto più elevato, con un notevole vantaggio in termini di precisione delle mesh e anche nei tempi di lavorazione." Questa è una feature estremamente importante, soprattutto nell'ottica di ridurre il time-to-market, un'esigenza molto sentita al giorno d'oggi e alla quale anche i progettisti devono adeguarsi.
Infine, lavorando con Creo, è possibile pubblicare l'esperienza di un oggetto in realtà aumentata semplicemente inviando un'e-mail al destinatario, altro inestimabile vantaggio in termini di semplicità, condivisione sicura e risparmio di tempo. "Attraverso l'e-mail, il destinatario può aprire l'oggetto e visualizzarlo senza problemi con la realtà aumentata, come se possedesse Creo e avesse l'oggetto a portata di mano. Non è necessario inviare dati sensibili, file JPG o PDF, che possono essere utilizzati anche per il reverse engineering. Inoltre, il destinatario ha bisogno solo di un tablet o uno smartphone per esplorare il modello. Insomma, anche la condivisione degli oggetti è semplice ed immediata e, a differenza di quanto avviene normalmente nella diffusione delle informazioni di progetto, consente di proteggere i diritti di proprietà intellettuale del progettista.
Un oggetto di raffinato design industriale
La struttura della handbike progettata da Antonelli è costituita essenzialmente dagli stessi componenti principali, telaio e forcella, che caratterizzano la classica handbike da corsa. Tuttavia, comprende numerose innovazioni che hanno generato una serie di sfide tutt'altro che facili.
Anche se il progetto non può dirsi concluso, il primo prototipo è attualmente in produzione. Partner di questa iniziativa è l'azienda livornese CRM Compositi, specializzata nella creazione di strutture monolitiche in carbonio e dotata delle necessarie competenze e capacità tecniche richieste nel campo dei materiali compositi.
"Rendere il telaio più leggero mantenendo le sue caratteristiche strutturali è stato molto difficile", spiega Antonelli. "A tale scopo, CRM ha fornito un sistema unico per la produzione di strutture monolitiche innervate interamente in carbonio."
Le nervature integrate rendono la struttura del telaio molto più leggera e, allo stesso tempo, più solida. Essendo monolitiche, poi, sono assolutamente affidabili. Originariamente sviluppata per applicazioni militari, questa tecnologia viene utilizzata per la prima volta in un ambiente civile con il progetto di questa handbike.
Un'altra fase molto importante del progetto ha riguardato la forcella che ospita il cambio. Lo studio dei componenti di trasmissione è stato complesso fin dall'inizio, soprattutto per quanto riguarda le possibilità di adattamento al sistema ciclistico.
"La regolazione in altezza del movimento centrale della handbike è normalmente affidata a un perno fissato alla base del cannotto di sterzo", spiega Antonelli. "Naturalmente, modificando anche solo l'altezza del movimento centrale, si modificano gli angoli caratteristici. Ciò produce una serie di problemi, primo fra tutti l'instabilità del veicolo, che può avere problemi di ribaltamento e perdita di controllo. Possono esserci anche le posture scorrette del paratleta, che nel tempo possono provocare infiammazioni, usura anomala delle cartilagini e perdita di mobilità degli arti superiori."
Conclusioni
Oggi Antonelli sta sperimentando l'integrazione di Creo con Vuforia, la piattaforma di realtà aumentata di PTC, per completare il progetto e sfruttare la combinazione tra mondo fisico e mondo digitale. Ciò permetterà di distribuire il progetto ai partner per i test con la tecnologia AR. Il risultato è un'esperienza finale altamente interattiva che incorpora quanti più dettagli possibili del mondo reale, il tutto senza divulgare dati sensibili che potrebbero essere oggetto di violazioni della proprietà intellettuale.
Con oggetti dal design ricercato come l'handbike di Antonelli non sono ammessi compromessi. Creo ha dimostrato di essere la piattaforma ideale per combinare le intuizioni futuristiche alla base del design con l'uso ottimale delle tecnologie disponibili, tutto questo con una frazione delle risorse richieste da altri sistemi. L'integrazione di Creo con Vuforia enfatizzerà ulteriormente i vantaggi della piattaforma PTC, che l'ingegnere Antonelli utilizza non solo per il progetto handbike ma anche per altri prodotti, con gli stessi notevoli vantaggi.