Een duidelijker beeld krijgen met geavanceerde simulatiesoftware

Met de nieuwste visualisatiesystemen kunnen fabrikanten producten sneller en efficiënter dan ooit ontwerpen en maken.

Simulatie in de maakindustrie wordt steeds belangrijker. Geavanceerde visualisaties worden overal gebruikt, van bewerking op CNC's op de werkvloer tot offline CAD/CAM-programmering van NC-apparatuur. Op het gebied van product lifecycle management (PLM) vertrouwen productontwikkelaars in meerdere stadia van het ontwerpproces sterk op geavanceerde op multifysica gebaseerde computer-aided engineering (CAE)-toepassingen om nauwkeurig te bepalen of hun creaties bestand zijn tegen een groot aantal thermische, vloeibare en materiaalmoeheidsspanningen die typisch voorkomen in ruwe omgevingen, zoals auto's en ruimtevaart, om ervoor te zorgen dat nieuwe productontwerpen voldoen aan strenge kwaliteitscontroles.

De nieuwste iteraties van softwarepakketten voor 3D-visualisatie bieden fabrikanten manieren om de testresultaten van hun snij- en assemblagebewerkingen te versnellen, vaak met een nauwkeurigheid van bijna 100 procent. Dat vermogen is essentieel voor het verbeteren van zowel de traditionele bewerking als de efficiëntie van nieuwe additieve fabricageprocessen.

Nauwkeurigere resultaten

Een belangrijke trend is het gebruik van simulaties die gebruikers veel nauwkeurigere resultaten bieden, met behulp van geavanceerde tools om materiaaleigenschappen af ​​te leiden, zei Hendrik Schafstall, mede-oprichter, managing partner en CEO van het in Hamburg, Duitsland gevestigde Simufact Engineering GmbH, een business unit van CAE-ontwikkelaar MSC Software uit Newport Beach, Californië. Fabrikanten kunnen nu "een procesketensimulatie krijgen van alle relevante processtappen en gerelateerde interfaces - voornamelijk om de productiegeschiedenis vast te leggen voor daaropvolgende crashes en vermoeidheidslevensduur, en om de lokale eigenschappen in het onderdeel te voorspellen voor de prestaties van het onderdeel", zei Schafstall. Voor OEM's hebben simulaties een volledig geautomatiseerde koppeling met PDM [product data management]-systemen, voegde hij eraan toe.

Een andere trend is om meer informatie uit de simulatie van het fabricageproces te gebruiken, waarmee rekening moet worden gehouden tijdens de ontwerpfase, merkte Schafstall op. "Een grote drijfveer is additieve fabricage en plaatassemblage", zei hij. Er wordt ook meer gebruik gemaakt van het onderdeel "zoals gefabriceerd" voor structuursimulatie voor nauwkeurigere resultaten, voegde hij eraan toe, en simulaties hebben robuustere procesvensters om de belangrijkste invloedsparameters te detecteren die tijdens de productie moeten worden bewaakt en gecontroleerd.

Meer praktisch "realisme" en meer geavanceerde analysemogelijkheden blijven belangrijke trends voor alle soorten simulatie, zegt Ben Mund, senior analist, CNC Software Inc., Tolland, Conn., ontwikkelaar van Mastercam CAD/CAM-software. Mund merkte op dat de huidige simulaties gebruikers "een beter begrepen wiskundig model bieden van alle bewegende delen van een machine, hoe ze omgaan met het gereedschap en het werkstuk, en de mogelijkheid om precies te identificeren waar en waarom ongewenste bewegingen kunnen plaatsvinden. Deze gebieden ontwikkelen zich gelijktijdig, wat de programmeur meer vertrouwen en meer productiviteit op de werkvloer geeft.”

Nauwkeurige simulatie is belangrijker dan ooit in de productie, voegde Mund eraan toe. "Met de komst van steeds complexere machines, is er behoefte aan zowel hoge precisie in NC-programmering als een kogelvrij vertrouwen dat een machine dat programma correct zal uitvoeren", aldus Mund. “Het is ook handig voor winkels om verschillende soorten simulatie te hebben, afhankelijk van wat ze nodig hebben. Alleen toolpath-simulatie zorgt voor een snel en duidelijk beeld van de beweging van de frees in het onderdeel, met diepgaande analyses die op elk punt langs het pad beschikbaar zijn. Simulatie op machineniveau breidt die benadering uit door de machineomgeving toe te voegen en eventuele conflicten te tonen van items die binnen de machine zelf bewegen.

“Simulatie wordt voor elke winkel steeds belangrijker; naarmate machines en gereedschappen geavanceerder worden, neemt de drang naar productiviteit toe en wordt de behoefte aan verbonden feedback steeds gebruikelijker”, vervolgde hij. “Realistische simulatie is booming op alle fronten. Diepe wiskundige simulatie van interacties tussen machine, gereedschap, materiaal en het beoogde uiteindelijke werkstuk drijven de meeste praktische toepassingen aan die een winkel nodig heeft. Dit is de ‘kern’ van simulatie waarin productiesoftwarebedrijven het grootste deel van hun zware ontwikkeling en testen [budget] investeren.”

Dit nieuwe niveau van wiskundig realisme is verbeterd en aantrekkelijker gemaakt door de toevoeging van realisme op het scherm. "Hierdoor worden de natuurkundige modellen gebruikt en zien ze er voor de gebruiker zo echt mogelijk uit," zei Mund. "Hier zie je visuele uitbouw van machines en al hun bewegende delen (soms inclusief fabrikantlogo's), kleur- en visuele materiaalkeuze en andere weergave-opties waarmee een programmeur gemakkelijk de resultaten van hun programma kan zien en erop kan vertrouwen."

Democratiserende simulatie

Toegankelijkheid tot simulatietools was voor veel mensen in de productie een barrière, aangezien hoogwaardige simulaties, vooral in CAE, over het algemeen worden uitgevoerd door hoogopgeleide simulatiespecialisten. In de afgelopen jaren is er echter meer toegang tot deze visualisaties geboden door productieorganisaties. Deze toegang wordt geboden door verbindingen met hostgegevenssystemen, hetzij via lichtgewicht client-apps of door gebruik te maken van de kracht van de cloud met high-performance computing (HPC) en de kracht van supercomputers te gebruiken voor extreem grote, complexe visualisatieanalyses.

“Een van de belangrijkste trends in simulatiesoftware is het verder verlagen van de gebruiksdrempels. Iedereen accepteert dat simulatie waardevolle inzichten kan opleveren en tijd en geld kan besparen, maar er zijn vaak belemmeringen voor adoptie", zegt Brian Frank, senior productmanager voor generatieve ontwerp- en simulatieoplossingen bij Autodesk Inc., San Rafael, Californië.

“Sommige daarvan manifesteren zich in de kosten en de mogelijkheid om toegang te krijgen. Autodesk heeft heel hard gewerkt om het gemakkelijker dan ooit te maken om toegang te krijgen tot simulatietechnologie van wereldklasse via ons abonnementsaanbod, en we blijven meer van de technologie opnemen in kernontwerpaanbiedingen zoals Fusion 360. We blijven er ook voor zorgen dat gebruikers dat niet doen hebben gespecialiseerde simulatiekennis nodig om waarde te halen uit het simuleren door gebruikers te automatiseren en te begeleiden bij de workflows die ze moeten uitvoeren."

Volgens Ravi Shankar, global director of product marketing voor Simcenter, Siemens PLM Software, gebaseerd in Plano, Texas. Simulatie is van cruciaal belang voor bedrijven die hun productontwikkelingsproces digitaliseren, want wanneer het ontwerp- en fabricageproces correct wordt gesimuleerd in de virtuele wereld, kunnen bedrijven hun ontwerpen sneller op de markt brengen.

Het uitbreiden van de toegang tot simulaties is een belangrijk onderwerp, beaamt Shankar. "Er is de afgelopen jaren veel vooruitgang geboekt", zei hij, "maar er is nog een weg te gaan. We kunnen democratisering zien als zowel het vermogen voor meer mensen binnen een organisatie om simulaties uit te voeren en ook voor meer mensen om simulaties te gebruiken zonder dat we simulatie-experts hoeven te zijn.”

Siemens loopt voorop bij deze transformatie, zegt Shankar, vanwege zijn kracht om in de behoeften van ontwerpers te voorzien. “Enkele voorbeelden hiervan zijn de integratie van simulatietechnologieën binnen de Siemens NX-omgeving [met CAD/CAM- en CAE-mogelijkheden]; integratie van simulatiemogelijkheden in andere commerciële CAD-aanbiedingen via onze Simcenter FloEFD [Mentor Graphics' computational fluid dynamics]-oplossing; en ook breder door onze investeringen in generatief ontwerp en visualisatie, inclusief geavanceerde VR-methoden voor het verkennen van simulatieresultaten.”

Cloudtoegang tot CAE-oplossingen voegde ook de broodnodige toegankelijkheid toe voor niet-deskundige simulatiegebruikers in de productie. "Historisch gezien waren productiesoftware en CAE-simulatiesoftware losgekoppelde nicheproducten die respectievelijk werden gebruikt door productie-ingenieurs en simulatie-experts," merkte Subham Sett op, vice-president, Simulia marketing en strategische initiatieven, bij Dassault Systèmes, gevestigd in Waltham, Mass. en Vélizy -Villacoublay, Frankrijk.

"Met de huidige [eisen voor] first-time kwaliteit met lagere productiekosten, willen bedrijven echter profiteren van de voordelen van het simuleren van productieprocessen voordat ze worden geïmplementeerd. Om dit te doen, is een geïntegreerde aanpak nodig om de product BOM [Bill of Materials] te koppelen aan het productieproces, inclusief realistische simulatie van beide.”

Het 3DExperience-simulatieaanbod van Dassault Systèmes in de cloud helpt de simulatie zeker meer gedemocratiseerd te worden, merkte Sett op, omdat ze "slechts beperkte lokale hardware en IT-ondersteuning nodig hebben om toegang te krijgen tot grote hoeveelheden rekenkracht en simulatiemogelijkheden."

Mund van CNC Software voegde eraan toe dat “simulatie zo gedemocratiseerd is geworden dat het een verwacht onderdeel is van elk CAD/CAM-softwareaanbod. Naarmate algemene simulatie meer wijdverbreid werd, werd het type en de diepte van de simulatie ook drastisch uitgebreid. In de afgelopen twee decennia is de industrie overgestapt van eenvoudige backploting van gereedschapspaden naar visualisatie van materiaalverwijdering naar volledige simulatie van de omgeving van bewerkingsmachines.” De verwachtingen van gebruikers over wat beschikbaar zou moeten zijn als een standaardcomponent van CAD/CAM zijn mee veranderd, zei Mund.

"Hoewel uitzonderlijke stand-alone oplossingen blijven bestaan ​​- en een vitale plaats innemen in veel winkels - is simulatie zo'n ingebakken onderdeel van de winkelworkflow geworden dat de meeste CAD/CAM-providers het bijna net zo belangrijk vinden als de gereedschapsbeweging zelf," verklaarde hij.

Investeren in simulatie

In de afgelopen jaren hebben de grootste simulatiespelers - Autodesk, Dassault, Siemens en nu Hexagon - aanzienlijke investeringen gedaan in de simulatiearena, met name in CAE-multiphysics-toepassingen. Siemens heeft in 2016 $ 4,5 miljard uitgegeven om Mentor Graphics, de gigant van elektronische ontwerpautomatisering (EDA), en heeft ook LMS International en CD-adapco gekocht om zijn simulatieportfolio op te bouwen. Meer recentelijk heeft metrologiegigant Hexagon AB, Stockholm, Zweden, in 2018 Spring Technologies, ontwikkelaar van NCSIMUL toolpath-simulatie- en verificatiesoftware, overgenomen.

"Siemens is zeer actief geweest in het verwerven en integreren van oplossingen in de simulatieruimte als onderdeel van een grotere focus op het leveren van een digitaal innovatieplatform", zei Shankar van Siemens. “Met Simcenter bieden we een van de breedste en diepste portfolio's in de branche voor simulatie en testen. Dit omvat de mogelijkheden van onze acquisities van LMS en CD-adapco, die ons hielpen uit te breiden op gebieden als systeemsimulatie, geavanceerde 3D-simulatie, testen en vloeistofsimulatie, die we allemaal combineerden met oplossingen voor ontwerpverkenning en simulatiegegevensbeheer.”

Met Mentor Graphics verwierf Siemens geavanceerde mogelijkheden op het gebied van elektrische en elektronische apparatuur, en versterkte het ook zijn aanbod voor de ontwerpingenieur, met name door CAD-geïntegreerde stroomsimulatie, voegde hij eraan toe, en merkte op dat de hardwaretestoplossingen van Mentor ook een geweldige aanvulling zijn op het portfolio. In januari bracht Siemens ook een volledige update uit van zijn Simcenter 3D-platform, met snellere modellering en nauwkeurigere simulaties.

"Hoogwaardige klanttoepassingen in alle sectoren vereisen steeds meer simulatiemogelijkheden voor alle fysica, op alle schalen", merkte Sett van Dassault op. “Als aanvulling op onze bestaande kracht in structuren en multibody-simulatie, heeft Dassault Systèmes onlangs een sterke capaciteit verworven voor simulatie van vloeistoffen en akoestiek door de overname van de PowerFlow-, XFlow- en Wave6-productlijnen. Daarnaast hebben we de CST Studio suite-productlijn verworven, die een aanvullende mogelijkheid biedt voor elektromagnetische simulatie.”

Verbeterde nauwkeurigheid, gebruiksgemak

Met de verwachting om echte digitale tweelingen in productieactiviteiten te bereiken, leveren ontwikkelaars meer realisme en nauwkeurigheid. "CAE-simulaties voor fabrikanten zijn tegenwoordig extreem realistisch en nauwkeurig, tot het punt waarop voorspelde fabricagevervormingen kunnen worden gebruikt om een ​​ontwerp negatief te compenseren, dus het als-gefabriceerde onderdeel valt binnen de vereiste toleranties van het as-ontworpen onderdeel," zei Sett. "In gewone taal kunnen we anticiperen op de vervorming van de vorm van het onderdeel als gevolg van het productieproces, en vervolgens rekening houden met die vervorming zodat het voltooide onderdeel overeenkomt met de gewenste geometrie.

"Gebruikers van simulaties zijn op zoek naar nauwkeurigheid, snelheid, gebruiksgemak en integratie met productiesoftware", voegde hij eraan toe. "Bovendien heeft de productie-ingenieur simulatietools nodig die gemakkelijk en intuïtief te gebruiken zijn, zonder een diepgaande simulatie-achtergrond." Het gebruik van simulatie door additieven groeit ook snel, omdat de mogelijkheid om ontwerpen te maken die niet mogelijk zijn in traditionele productie, leidt tot een grotere behoefte om ontwerpiteraties te simuleren. "Veel van het geavanceerde simulatiewerk in de productie heeft te maken met additieve fabricage", zegt Sett.

In de tegenwoordig verbonden, geavanceerde productie-installaties heeft simulatie veel potentie om ontwerpen sneller op de markt te brengen, kosten te besparen en fabricagefouten te minimaliseren of te elimineren. Simulatie kan leiden tot "veel verschillende kostenbesparingspotentieel, afhankelijk van de toepassing", merkte Schafstall van MSC Software op, "evenals een snellere time-to-market, diepere inzichten, procesinzicht en interne kennisoverdracht." Andere voordelen zijn onder meer extra mogelijke fabricagevariaties, met een robuuster procesvenster waar meer ideeën kunnen worden getest, zei hij.

Simulatie biedt gebruikers veel meer gedetailleerde informatie voordat de productie begint, voegde hij eraan toe. "Een beter begrip van het productieproces en de problemen ervan zal helpen [creëren] een beter produceerbaar, geoptimaliseerd ontwerp", aldus Schafstall. "Dit betekent ook dat de fabricagesimulatie zich meer en meer zal verplaatsen in de ontwerpfase [in additief]."

In februari bracht MSC Software zijn nieuwe CoSim-engine uit, ontwikkeld om een ​​co-simulatie-interface te bieden voor de directe koppeling van verschillende oplossers/disciplines binnen een multifysisch raamwerk. De CoSim V1.6-versie stelt ingenieurs in staat om co-simulatiemodellen op te zetten tussen MSC's Adams multibody dynamics (MBD), Marc (FEA) en scFLOW (CFD)-toepassingen, en omvat een breed scala aan toepassingen op industriële schaal. De CoSim-engine biedt verbeterde nauwkeurigheid, precisie en prestaties voor complexe multifysica-toepassingen, volgens MSC.

Het hoge niveau van realistische nauwkeurigheid is nog nooit zo haalbaar geweest als met het huidige aanbod, volgens Frank van Autodesk. "Met de rekenkracht die vandaag beschikbaar is, kunnen we als nooit tevoren inzichten in het productieproces vastleggen en ook experimenten ontwerpen om te begrijpen welke combinatie van materialen, procesinstellingen en ontwerpparameters kan worden gebruikt om de beste resultaten te bereiken. Of het nu gaat om NC-simulatie voor de bediening van machines of processimulatie van bijvoorbeeld spuitgietprestaties of een additieve metalen 3D-print, gebruikers hebben het meeste inzicht in wat ze kunnen verwachten op de werkvloer”, aldus Frank.

Hij merkte op dat Autodesk zijn eigen productie- en testlaboratoria heeft en voortdurend zijn software evalueert op nauwkeurigheid en voorspelbaarheid.

NC-snijden simuleren

In NC-simulatie biedt het simuleren en verifiëren van snijgereedschapprocessen fabrikanten een duidelijk beeld van de snijbeweging van het gereedschapspad, inclusief alle andere bewegende elementen in de bewerkingsmachine naast het eigenlijke snijgereedschap. Met de nieuwste simulatie- en verificatiesoftware van NCSIMUL Hexagon Production Software, Boston, krijgen gebruikers een volledig geautomatiseerd systeem dat veel van het werk doet, met nieuwe simulatie-automatiseringsfuncties die nu worden geïntegreerd in de Vero Software-reeks van CAD/CAM-software van het moederbedrijf Hexagon Manufacturing Intelligence , waaronder de EdgeCAM, WorkNC, AlphaCAM en andere Vero-merken, evenals 15 toepassingen van derden, waaronder Mastercam en Siemens NX CAM.

Een NCSIMUL 2020-update, die gepland stond voor release in april, biedt een veel betere integratie met CAM-systemen via de applicatieprogrammeerinterface (API), een bijgewerkte grafische gebruikersinterface en een volledige materiaallijst voor de hele productie, inclusief meting en controle, zei NCSIMUL Algemeen directeur Silvère Proisy. Een automatische controlemogelijkheid helpt de verbinding met CNC-machines te verbeteren, voegde hij eraan toe, met de mogelijkheid om alle parameters op de werkvloer te lezen. “We verbinden de programmeurs met de werkvloer,” zei hij, “zodat ze hun computer niet hoeven te verlaten. Dit is nog belangrijker bij vijfassige machines die CAV (computer-aided authentication) nodig hebben.”

Het nieuwste NCSIMUL-systeem biedt meer realistische simulaties, voegde hij eraan toe. “We snijden volume op volume; je kunt de sint-jakobsschelpen zien, de echte snee van het onderdeel zien, 'zei Proisy. “Het komt echt neer op de realiteit, met zeer fijne details. We automatiseren het proces echt, met sjablonen die uw wijzigingen naar NCSIMUL sturen, die de simulatie in een zwarte doos uitvoert en laat zien of uw programma veilig of niet veilig is. Nieuw zijn de details over hoeveel automatisering we kunnen doen, en ook nieuwe optimalisaties voor niet alleen frezen, die we vorig jaar hebben toegevoegd, maar ook voor draaimachines.”

Het simuleren en verifiëren van het snijproces is nog nooit zo kritisch geweest met de nieuwste generatie werktuigmachines. "Nieuwere CNC-machines worden steeds complexer en sneller in beweging dan hun voorgangers", merkte Gene Granata, productmanager van Vericut bij NC-simulatie-/verificatieontwikkelaar CGTech, Irvine, Californië op. "De machines van vandaag hebben meer bewegende delen, extra mogelijkheden en veel nieuwe M- en G-codes die nodig zijn om dingen goed te laten werken. Zelfs een ogenschijnlijk eenvoudige handeling als een 'gereedschapswissel' gebeurt in angstaanjagend hoge snelheden. Catastrofale storingen kunnen zeer snel en onverwacht optreden wanneer snijgereedschappen en CNC-machines tot het uiterste worden gedreven."

Het optimaliseren van NC-codes en de processen die worden gebruikt om ze te maken, is de focus van de meeste NC-winkels, zei Granata. “Verlaagde winstmarges en toegenomen concurrentie zijn hiervoor de voornaamste redenen; optimaliseren op elke mogelijke manier en nauwkeurige kostenramingen zijn van cruciaal belang voor het voortbestaan ​​​​van het bedrijf, "voegde hij eraan toe. "Het gebruik van software zoals Vericut met Force-optimalisatie zorgt ervoor dat alle NC-programma's snijden met optimale spaanbelasting, dynamische snijkrachten binnen veilige limieten houden en nauwkeurigere voorspellingen van bewerkingstijd mogelijk maken."

Nauwkeurige simulatie is de sleutel tot productiviteit, zei Granata. “Door NC-code te simuleren die wordt uitgevoerd op digitale dubbele machinemodellen, blijven CNC-machines onderdelen maken in plaats van waardevolle machinetijd te verspillen aan proefresultaten. Met behulp van simulatie elimineert 'vrijwel' de potentiële crashes en bewerkingsfouten die ernstige problemen in de winkel zouden kunnen veroorzaken, en vermijdt daardoor kostbare uitvaltijd en vertragingen in de planning.

"Simulatie kan beter werken als er nauwkeurigere gegevens beschikbaar zijn", vervolgde hij. “Nauwkeurige machinemodellen zijn bijvoorbeeld wenselijk voor het nauwkeurig detecteren van mogelijke machinebotsingen. Evenzo helpen gedetailleerde modellen van snijgereedschappen te verifiëren dat onderdeelkenmerken tijdens de bewerking met vertrouwen kunnen worden bereikt en op de juiste manier worden gebruikt [bijv. met veilige hellingshoeken]. Wanneer snijgereedschappen worden gedownload uit de cloud met aanbevolen snijprestatieparameters, kunnen programmeurs er ook zeker van zijn dat ze de juiste voedingen en snelheden gebruiken voor bewerking en voor optimalisatie."

Volgens Granata wordt simulatie op NC-niveau op een digitale dubbele CNC-machine gezien als de meest uitgebreide manier om te controleren of NC-programma's goed werken op de beoogde CNC-machine en het bewerkte onderdeel produceren zoals verwacht, zonder botsingen en overschrijding van de bewegingslimieten van de as , of het creëren van ongelukken door onjuiste of ontbrekende NC-codes. "simulatie op NC-niveau is ook de beste keuze voor optimalisatie van NC-programma's, omdat optimale snijmethoden en de mogelijkheden/limieten van de machine tegelijkertijd kunnen worden toegepast", merkte hij op.

De nieuwste Vericut versie 9 gebruikt meer geavanceerde OpenGL grafische mogelijkheden om superieure grafische weergavekwaliteit en prestaties te bieden, volgens CGTech. De verbeterde graphics verbeteren de functie en consistentie tussen weergaven, waardoor alle functies van de software mogelijk zijn voor het nemen van metingen, het toepassen van sectie-uitsnijdingen en het vergelijken van het theoretische ontwerpmodel met gesimuleerde uitsnijdingen.

Sommige functies die voor Vericut-gebruikers komen, omvatten een nieuwe herstartmogelijkheid, zei Granata. "Wanneer een fout wordt geïdentificeerd in een NC-programma, kunnen gebruikers correcties aanbrengen en de simulatie een blok of twee herstarten voordat de fout optrad, en vervolgens verder spelen om te controleren of de wijziging is wat ze willen." Force-optimizers bieden een beter geoptimaliseerde bewerking en verbeterde Force Chart-interacties. Er komt ook een nieuw Force Calibration-productaanbod voor winkels die hun eigen snijcondities van gereedschap tot voorraad willen testen en de verzamelde gegevens willen gebruiken om de analyse en optimalisatie van het Force NC-programma van Vericut aan te sturen.