Geavanceerde Simulatie-Software Verbetert Productontwerp en Productie-Efficiëntie

Bij het worstelen met vervelende kwesties zoals productcomplexiteit, gewichtsbesparing, geavanceerde materialen en nieuwe productiemethoden, gebruiken vandaag de productie-ingenieurs steeds vaker high-fidelity simulaties om oplossingen voor deze uitdagingen te visualiseren. De nieuwste simulatie-software kan aanwijzingen bieden voor het verbeteren van productontwerp en prestaties met high-end CAE-pakketten en NC-simulatie-software die helpen bepalen niet alleen de beste ontwerpen, maar de meest efficiënte manieren om ze te bereiken.

Nieuwe productieprocessen zoals additieve productie (AM) presenteren verschillende problemen voor fabricanten, en simulatie kan vooraf bepalen welke oplossingen het best werken. Veel simulatie-softwarepakketten bieden nu additieve-specifieke simulaties die helpen het laag-voor-laag proces waardoor additieve producten gebouwd worden te verduidelijken, terwijl ze ook visualiseren hoe traditionele subtractieve metaalbewerkingsprocessen efficiënter gemaakt kunnen worden.

Het Complexiteitsprobleem Oplossen

In discrete productie staan productontwikkelingsingenieurs enormen uitdagingen tegenover, aangezien alles van auto's tot vliegtuigen tot massive schepen en zware machines miljoenen regels code bevatten die systemen programmeren met elektronica gericht op het Industrial Internet of Things (IIoT).

"De grotere trends die we zien zijn de toenemende complexiteit van producten," zei Ravi Shankar, director, global simulation product marketing, Siemens PLM Software (Plano, TX), terwijl hij de toenemende hoeveelheid elektronica in mechanische componenten benadrukte. "Wat dat drijft is de digital twin en model-based engineering."

Autonome voertuigen en drones zijn het laatste voorbeeld van complexe systemen die simulatie-softwaresystemen vereisen, zei Shankar. "We hebben ook de focus gezien op automobilistische brandstof-efficiëntie en emissies, met de toename in gewichtsbesparing en het gebruik van generatief ontwerp," voegde hij toe.

Siemens introduceerde onlangs een oplossing voor zelfrijdende auto's die zijn Simcenter-simulatieoplossingen integreert met nieuwe sensortechnologie. Op Siemens' US Innovation Day in maart in Chicago, onthulde het bedrijf het systeem, met Tass PreScan virtuele sensor-beelden met het Mentor DRS360-platform dat de ontwikkeling van algoritmen voor sensor-fusie en -verwerking automatiseert.

"De eerste trend is dat fysica-gebaseerde wereldmodellen en fysica-gebaseerde sensormodellen gecreëerd kunnen worden," zei Martijn Tideman, director of products voor Tass International (Steenovenweg, Nederland), die vorig jaar overgenomen werd door Siemens. "Deze modellen maken high-fidelity kunstmatige sensor-informatie die gegenereerd kan worden alsof het van echte camera's, radars en LIDARs komt. Wanneer je deze kunstmatige data voedt aan in-auto verwerkingseenheden, zoals de DRS360, kun je de in-auto hardware/software evalueren zonder een enkele mijl te rijden."

Een andere sleutel is ervoor te zorgen dat de geautomatiseerde rijsimulatie-software op high-performance clusters (HPC's) draait, zei Tideman.

"Deze clusters kunnen veel simulaties parallel draaien, wat het virtuele evaluatie/validatie-proces versnelt. Je wilt in staat zijn om een miljoen virtuele mijl in het weekend te rijden.

"Geautomatiseerde rijsimulatoren moeten verbonden zijn met een breed scala aan andere hardware- en software-modules, bijvoorbeeld map-importers, om automatisch virtuele wegennetwerken te genereren of voertuig-dynamica-simulatie-tools om ervoor te zorgen dat het voertuig correct reageert op besturingsacties," legde hij uit. "Interfaces tussen simulatie-tools worden zunehmend gestandaardiseerd," zoals met FMI/FMU (functional mock-up interface/functional mock-up unit), voegde Tideman toe.

Disruptieve Simulatie

Verscheidene sleutel-technologieën beïnvloeden de manier waarop simulatie in productie toegepast wordt. "Terwijl er talrijke technische ontwikkelingen zijn die blijven evolueren en verbeteren, hebben een handvol het potentieel om fundamenteel te disrupteren waar, hoe en door wie simulatiemogelijkheden gebruikt worden," zei Seth A. Hindman, senior manager, product strategy and management, manufacturing, construction and production bij Autodesk Inc. (San Rafael, CA).

"Moore's Law heeft veel langer gegeld dan de meesten zouden hebben gedacht. Met continue vooruitgang in verwerkingskracht, is ongelooflijk krachtige hardware beschikbaar tegen een zeer lage prijs. Gecombineerd met de ontwikkeling van uitgebreide glasvezel-netwerken, kunnen bedrijven verbonden worden met externe computationele bronnen die de snelheden van hun eigen intranets overstijgen," zei Hindman. "Burst capacity, elastic compute en configureerbare HPC [high-performance computing] stellen bedrijven in staat om fundamenteel de manier te veranderen waarop ze hun producten engineeren en produceren door voldoende analyses te draaien om echt te begrijpen hoe hun product zal presteren in talloze toepassingen en omgevingen."

Fabrikanten bewegen ook weg van mesh-afhankelijke analyse, zei Hindman.

"De ubiqüite aard van 3D-ontwerpdata heeft de vraag naar simulatie-tools die niet meer mesh-afhankelijk zijn en die kunnen profiteren van associativiteit met de native ontwerpdata voortgedreven. Niet alleen verhoogt dit de productiviteit in de algemene workflow, het vergroot de doelgroep die kan profiteren van simulatiemogelijkheden. De natuurlijke neerwaartse druk is om oplossingen te creëren die robuuster, intuïtiever zijn en die breken met traditionele CAE-vereisten. De langetermijnpotentieel is dat dit een vereenvoudigde interactie met oplossingen en automatisering van lastige taken mogelijk maakt."

De langdurige perspectief binnen CAE om simulatie "vooraan" te brengen wordt nu vervangen door het idee van objectieve-gebaseerde analyse, voegde Hindman toe. "Terwijl vooraan simulatie krachtig is, is het nog steeds afhankelijk van een conventionele conventie van testen wat je hebt ontworpen vs. het drijven van de verkenning van ontwerpen die voldoen aan de doelen die je hebt gedefinieerd," zei hij. Autodesk introduceert momenteel wat het generatief ontwerp noemt in de engineering-markt, voegde Hindman toe, wat net beschikbaar is gekomen in Autodesk Fusion 360 Ultimate.

"Onze generatieve ontwerp-technologie stelt objectief-geïspireerde ontwerpen in staat om door het systeem gecreëerd te worden, wat wijdverbreide verkenning van de ontwerpruimte faciliteert, wat inzichts-gebaseerde trade-offs mogelijk maakt," zei Hindman. "De hoofdtaak van ingenieurs is historisch geweest om een ontwerp te creëren dat werkt. Met generatief ontwerp voldoet elk resultaat met succes aan die basiseis, wat betekent dat besluitvorming en trade-offs verheven worden tot het niveau van kern-initiatieven."

Additieve Processen Simuleren

Additieve ontwikkelingen blijven de productie-industrie opwindend, en veel simulatie-ontwikkelaars hebben recentelijk ofwel nieuwe ofwel verbeterde additieve-specifieke versies van hun simulatie-software uitgebracht.

Bijvoorbeeld, op 19 april lanceerde simulatie-ontwikkelaar Ansys Inc. (Canonsburg, PA) zijn nieuwe Additive Print en Additive Suite-oplossingen die simulatie leveren voor metaal AM-processen. De oplossingen staan gebruikers toe lichte, complexe metalen onderdelen te printen en microstructuur-eigenschappen en gedrag te analyseren. Ansys zei dat dit helpt AM-kosten te verminderen door ontwerpbeperkingen te beperken, afval te verminderen en printtijd te verkleinen.

Ansys' complete additieve simulatie-workflow laat klanten hun productontwerpen virtueel testen voordat ze een deel printen, volgens het bedrijf. De software integreert simulatie vóór het printproces, wat ingenieurs in staat stelt om op het ontwerpstadium de prestaties van een deel te ontwerpen, testen en valideren en de hoge kosten van fysieke proef-en-fout aanzienlijk te verminderen.

AM is een game-changer voor productie, zei Brent Stucker, Ansys director of additive manufacturing. "Medische apparaten kunnen geproduceerd worden met patiënt-specifieke geometrieën. Reserve-onderdeelvoorraden voor veel componenten zullen een ding van het verleden zijn, aangezien vervangende onderdelen geproduceerd kunnen worden wanneer ze besteld worden," merkte Stucker op. "Producten die in extreme omgevingen opereren, zoals in de olie- en gasindustrie, kunnen geproduceerd worden met nieuwe [duurzamere] hybride materiaalsamestellingen. De geometrische complexiteit die door AM geboden wordt betekent dat tientallen componenten geïntegreerd kunnen worden in een enkel component dat lichter en hogere prestaties heeft."

Stucker merkte op dat in AM, ontwerpers en machine-operators die typisch geen engineering-simulatie-gebruikers zijn, nu een complex printproces moeten begrijpen.

"We zien dat machine-operators meer willen dan alleen geëduceerde gokken als het gaat om voorspellen of een deel met succes gebouwd kan worden," zei hij. "Ze moeten snel begrijpen hoe een bepaalde machine-opstelling zal resulteren in deelafwijking voor en na verwijdering van supports, en of excessive afwijking kan zorgen dat het poeder-spreidingsmechanisme het deel raakt [wat bekend is als blade crash]. De situatie is vergelijkbaar met ontwerpers die Design for AM [DfAM] doen. Ze willen weten of het deel dat ze ontworpen hebben met succes zal printen, en als het kan, wat de eigenschappen van dat component zullen zijn.

"Simulatie legt de kracht om het additieve proces te begrijpen in de handen van ontwerpers en operators," voegde hij toe. "Daarom hebben we Ansys Additive Print ontwikkeld als een standalone print-proces-voorspellingstool – zodat een non-engineer de tool binnen een paar dagen kan gebruiken."

Terwijl simulatie-software met succes gebruikt is om te zorgen dat een ontworpen structuur in dienst-condities zal staan tijdens veldoperaties, wordt het ook constant uitgedaagd door complexe belasting, materialen, en fysica, merkte Subham Sett op, director, Simulia Strategic Initiatives, Dassault Systèmes (Parijs). "Simulatie-software trendt nu naar het leveren van multiphysics en multiscale-oplossingen die voorspellingen bieden voor elk aspect om industriële groei te versnellen. Bijvoorbeeld, in de automobilistische industrie, wordt simulatie-software gebruikt om multiphysics-problemen op te lossen van multibody-dynamica, geluid en trilling, crashworthiness tot onstationaire stroom, alsmede multiscale-problemen van materiaalontwerp, multiscale-materiaal op- en afschalen, en substructuren."

Het toevoegen van de mogelijkheid om de vorm te voorspellen die resulteert uit het AM-proces rangschikt als een van de meest opwindende nieuwe ontwikkelingen in productiesimulatie, zei Sett. "Rekening houdend met het scan-pad, materiaaleigenschappen, machine- en laser-eigenschappen, kunnen we de deelafwijking door warmte en zwaartekracht nauwkeurig voorspellen terwijl het deel geprint wordt," voegde hij toe.

Het simuleren van het additieve proces stelt bouwers in staat om het proces nauwkeuriger te voorspellen en te controleren, fouten te voorkomen in de laag-voor-laag additieve deelbouw.

Siemens' Shankar zei dat simulatie in additieve processen, wat Siemens vorig jaar toevoegde met zijn NX Additive-module, fabricanten in staat stelt productie-uitkomsten te voorspellen.

"Als je de lagen creëert, moet je veel dingen weten: Hoe lang duurt het om af te koelen? Wat zijn de voids [de lege ruimtes of zakjes] in het deel? Simulatie kan helpen de voids aan te pakken en ook de residuele spanningen in het product," zei hij. Simulatie zal fabricanten ook helpen te weten hoe processen gestandaardiseerd kunnen worden en te begrijpen hoe het product zal presteren.

Siemens werkt momenteel aan kwesties zoals additieve processen met fasenveranderingen en hoe onderdelen afkoelen. In sommige gevallen wordt HPC gebruikt, vanwege de rekenintensieve aard van die simulaties. "Berekeningen kunnen vaak geparallelliseerd worden. Als je probeert grote modellen op te lossen, is het [HPC] aantrekkelijk," zei Shankar.

Wat additief betreft, blijft Autodesk zijn portfolio van oplossingen uitbreiden, zei Hindman. "De nieuwste toevoeging aan het Netfabb-portfolio is de inclusie van Autodesk generatieve ontwerpmogelijkheden. Zoals ik eerder vermeldde, stelt generatief ontwerp objectief-geïspireerde ontwerpen in staat om door het systeem gecreëerd te worden om wijdverbreide verkenning van de ontwerpruimte te faciliteren. Een sleutelingrediënt van hoe het systeem kan functioneren als actieve deelnemer is dat we het geleerd hebben additieve productie-proces-bewust te zijn, zodat het resultaten genereert die geoptimaliseerd zijn voor 3D-printen."

Met de maart-release van Netfabb Ultimate introduceerde Autodesk geïntegreerde proces-simulatiemogelijkheden naast de bestaande standalone Netfabb Local Simulation-aanbieding. Hindman zei dat beide Netfabb-versies nu omvatten: verbeterde voorspellingen van effecten zoals opgesloten poeder, hot spots/verschroeiing en gebrek aan fusie; additionele proces-emulatie zoals EDM-deelverwijdering en de impact van warmtebehandeling; verbeterde prestaties in Autodesk's optionele elastic compute-service; introductie van procesanalyse-mogelijkheden in Netfabb Ultimate; en gestroomlijnde mogelijkheid om gesimuleerde gecompenseerde deel-preforms in te wisselen voor de oorspronkelijke geometrie.

Autodesk lanceerde ook ondersteuning voor het Direct Energy Deposition (DED)-proces in samenwerking met het Netfabb- en PowerMill (PowerMill Ultimate)-portfolio van het bedrijf om expertise in multias-robotbesturing te benutten.

"Dit voegt een andere mogelijkheid toe voor het voorspellen van het potentieel van uitzonderlijk grote afwijkingen en falen tijdens high-rate depositie-productie," zei Hindman. "Naarmate bedrijven metaal additieve productie omarmen, zijn er gemeenschappelijke gevaren die ze moeten confronteren en overwinnen." Hij voegde toe dat de meest voorkomende uitdagingen van het bedienen van een metaal poederbed-fusie-printer zijn: deelafwijking, warpage (het geprintte deel is onacceptabel en kan de recoater beschadigen); thermische spanning-geïnduceerde falen/fractuur (deel breekt tijdens printen en kan de recoater beschadigen); support-falen (zoveel spanning opgebouwd in het deel dat het de verbinding tussen build-plate en deel breekt, het deel onacceptabel makend en mogelijk de recoater laat botsen met het deel); en varierende materiaaleigenschappen (delen hebben zichtbare defecten of presteren niet zoals verwacht).

NC-Processen Visualiseren

Voor NC-simulatie- en verificatieprocessen blijft AM een sleutelontwikkelingsgebied met ontwikkelaars van systemen zoals Vericut NC-simulatie-software van CGTech (Irvine, CA), die onlangs een Vericut Additive-module toevoegde. "Additieve Productie blijft een van de heetste trends in productie, dus simulatie-software probeert bij te blijven," zei Gene Granata, CGTech Vericut productmanager.

"Het gebruik van simulatie-software capabel van het simuleren van dezelfde NC-codes die de machines zullen sturen is de beste manier om CNC-apparatuur te beschermen en een kwaliteitsdeel de eerste keer in de shop te creëren."

In composites staan twee van de nieuwste trends die opvallen een focus op grafische weergave en nauwkeurig het werkstuk voorstellen, merkte Granata op. "Hoewel het verbeteren van graphics misschien als een cosmetische verbetering lijkt, zijn er echte engineering-voordelen van het nauwkeurig voorspellen en visualiseren van een composite-stuk's net-vorm. Fabrikanten beginnen zwaarder te steunen op software om een deel's finale vorm en kwaliteit te voorspellen," zei hij. "Met een high-resolutie weergave van het afgewerkte werkstuk, kunnen ingenieurs beginnen te interogeren kenmerken die hen het meest bekommeren met grotere fideliteit."

Simulatie-software biedt belangrijke proces-evaluatie- en optimalisatietools die shop-productiviteit verbeteren, voegde hij toe. "Nieuwe keuzes voor het creëren van 'efficiënte' toolpaden lijken regelmatig op de markt te verschijnen, maar hoe goed werken ze echt? Simulatie-software – gedreven door post-verwerkte G-code toolpaden – onthult de 'waarheid' in machine-runtimes," zei Granata. "Dit helpt NC-programmeurs en productie-ingenieurs verschillende bewerkingsmethoden te beoordelen zodat ze uiteindelijk de meest efficiënte methoden voor het maken van hun onderdelen kunnen selecteren."

Automatisering, bewerkingsoptimalisatie, en machine-flexibiliteit zijn sleutelgebieden die Spring Technologies (Cambridge, MA), ontwikkelaar van NCSimul en Optitool-software, duwt in zijn simulatie-software-ontwikkeling, zei Silvere Proisy, Spring Technologies general manager.

Naarmate de markt meer geautomatiseerde processen vraagt, ontwikkelt NCSimul meer automatisering, zei hij. "Vanaf de data verzonden door de CAM-software in NCSimul, is het automatisch geverifieerd, en het resultaat van de simulatie wordt als een eindrapport aan de programmeur geleverd via e-mails. De gebruikers hoeven niet meer met de software te interacteren; het kan allemaal op een remote server draaien."

CNC-bewerkingsoptimalisatie met Optitool is verbeterd, zei hij. "Het biedt nu twee niveaus van optimalisatie: een is lucht-frees-reductie, alle aanloop- en terugtrekmoties optimaliseren zonder voedingsnelheden in materiaal te veranderen; het tweede niveau is learning-mode optimalisatie die de materiaal-frees-voedingen reguleert op basis van negen snijparameters, zoals span-dikte of span-stroom, zonder de oorspronkelijke voedingen en snelheden te compromitteren."

Machine-flexibiliteit is de derde focus van ontwikkeling met de NCSimul 4CAM-optie. "Een productiebedrijf de mogelijkheid geven om een job van de ene machine naar de andere te veranderen, in een paar minuten en zonder het deel in een CAM-software te herprogrammeren, is wat we een revolutie noemen," zei Proisy. "Het leest de initiële G-code en herschrijft de nieuwe code automatisch."