Productontwerp en efficiëntie verbeteren met geavanceerde simulatiesoftware

De nieuwste visualisatiesystemen stellen fabrikanten in staat om producten sneller en efficiënter dan ooit te ontwerpen en te produceren.

Simulatie in de productie wordt steeds meer alomtegenwoordig. Geavanceerde visualisaties worden overal gebruikt, van bewerking op shopfloor CNC's tot offline CAD/CAM-programmering van NC-apparatuur. In de product lifecycle management (PLM)-arena, vertrouwen productontwikkelaars zwaar op geavanceerde multiphysics-gebaseerde computer-aided engineering (CAE)-applicaties op meerdere stadia van het ontwerpproces om nauwkeurig te bepalen of hun creaties een veelvoud aan thermische, vloeistof- en materiaalvermoeidheidsspanningen kunnen weerstaan die typisch worden tegengekomen in harde omgevingen, zoals auto- en luchtvaart, om te garanderen dat nieuwe productontwerpen aan strenge kwaliteitseisen voldoen.

De nieuwste iteraties van 3D-visualisatiesoftwarepakketten geven fabrikanten manieren om bewijzen van hun bewerkings- en assemblage-operaties te versnellen, vaak met bijna 100 procent nauwkeurigheid. Die mogelijkheid is essentieel voor het verbeteren van zowel traditionele bewerking als nieuwe additieve productieproces-efficiëntie.

Nauwkeurigere resultaten

Een grote 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, medeoprichter, managing partner en CEO van Hamburg, Duitsland-gebaseerd Simufact Engineering GmbH, een business unit van Newport Beach, Calif.-gebaseerde CAE-ontwikkelaar MSC Software. Fabrikanten kunnen nu "een procesketen-simulatie van alle relevante processtappen en gerelateerde interfaces – voornamelijk om productiegeschiedenis vast te leggen voor opvolgende crashes en vermoeidheidslevensduur, en om lokale eigenschappen in het deel te voorspellen voor deelprestaties", zei Schafstall. Voor OEMs hebben simulaties een volledig geautomatiseerde koppeling met PDM [product data management] systemen, voegde hij toe.

Een andere trend is het gebruik van meer informatie uit de productieproces-simulatie, wat rekening gehouden moet worden tijdens de ontwerpfase, merkte Schafstall op. "Een grote drijver is additieve productie en plaatassemblage", zei hij. Er is ook meer gebruik van het deel "as manufactured" voor structuursimulatie voor nauwkeurigere resultaten, voegde hij toe, en simulaties hebben robuustere procesvensters om de belangrijkste invloedsparameters te detecteren die tijdens productie gemonitord en gecontroleerd moeten worden.

Toegenomen praktische 'realisme' en geavanceerdere analytische mogelijkheden blijven sleuteltrends voor alle typen simulatie, zei Ben Mund, senior analist, CNC Software Inc., Tolland, Conn., ontwikkelaar van Mastercam CAD/CAM-software. Mund merkte op dat vandaag de simulaties gebruikers bieden "een dieper begrepen wiskundig model van alle bewegende delen van een machine, hoe ze interageren met de tooling en het werkstuk, en de mogelijkheid om precies te identificeren waar en waarom ongewenste beweging kan gebeuren. Deze gebieden ontwikkelen zich in tandem, wat meer vertrouwen geeft voor de programmeerder en meer productiviteit op de shopfloor."

Nauwkeurige simulatie is belangrijker dan ooit in de productie, voegde Mund toe. "Met het opkomen van steeds complexere machines, is er een behoefte aan zowel hoge precisie in NC-programmering als kogelvrije zekerheid dat een machine dat programma correct zal draaien", stelde Mund. "Het is ook nuttig voor werkplaatsen om verschillende typen simulatie te hebben, afhankelijk van wat ze nodig hebben. Alleen-toolpath simulatie stelt een snelle en schone blik op de beweging van de frees in het deel toe, met diepe analytics beschikbaar op elk punt langs het pad. Machine-level simulatie breidt die benadering uit door de machine-omgeving toe te voegen, waarbij potentiële conflicten van items die binnen de machine bewegen worden getoond."

"Simulatie wordt steeds kritischer voor elke winkel; naarmate machines en tooling geavanceerder worden, neemt de drift naar productiviteit toe, en de behoefte aan gekoppelde feedback wordt gemeengoeder", vervolgde hij. "Realistische simulatie bloeit op alle fronten. Diepe wiskundige simulatie van interacties tussen machine, tooling, materiaal en beoogd eindwerkstuk drijft de meeste praktische toepassingen die een winkel nodig heeft. Dit is de 'kern' van simulatie waarin productiesoftwarebedrijven het grootste deel van hun zware ontwikkeling en testbudget investeren."

Dit nieuwe niveau van wiskundig realisme wordt verbeterd en aantrekkelijker gemaakt met de toevoeging van 'on-screen' realisme. "Dit neemt de fysicamodellen en maakt ze zo real-world mogelijk voor de gebruiker", zei Mund. "Hier zie je visuele opbouw van machines en al hun bewegende delen (soms inclusief fabrikantlogo's), kleur- en visuele materiaalkeuze, en andere weergaveopties die een programmeerder in staat stellen om gemakkelijk te zien en vertrouwd te zijn in de resultaten van hun programma."

Democratisering van simulatie

Toegankelijkheid tot simulatietools is een barrière geweest voor veel mensen in de productie, aangezien high-end simulaties – vooral in CAE – doorgaans worden afgehandeld door hoogopgeleide simulatiespecialisten. In recentere jaren wordt echter grotere toegang tot deze visualisaties geboden doorheen productieorganisaties. Deze toegang wordt geboden door verbindingen met host-datasystemen, ofwel via lightweight client-apps of door de kracht van de cloud te benutten met high-performance computing (HPC) en supercomputer-niveau kracht toe te passen op extreem grote, complexe visualisatie-analyses.

"Een van de sleuteltrends in simulatiesoftware is om de barrières voor gebruik voortdurend te verlagen. Iedereen accepteert dat simulatie waardevolle inzichten kan bieden en tijd en geld kan besparen, maar er zijn vaak barrières voor adoptie", zei Brian Frank, senior productmanager voor generatief ontwerp en simulatieoplossingen bij Autodesk Inc., San Rafael, Calif.

"Sommige van die barrières manifesteren zich in de kosten en de mogelijkheid om toegang te krijgen. Autodesk heeft erg hard gewerkt om het makkelijker dan ooit te maken om toegang te krijgen tot wereldklasse simulatiechnologie via onze abonnementen, en we brengen steeds meer van de technologie in kernontwerpaanbiedingen zoals Fusion 360. We zorgen er ook voortdurend voor dat gebruikers geen gespecialiseerde simulatiekennis nodig hebben om waarde te halen uit het simuleren door workflows die ze nodig hebben om uit te voeren te automatiseren en te begeleiden."

De beweging richting digitalisering van de productie benadrukt de essentiële noodzaak om simulatietools uit te breiden naar een breder publiek om te kunnen anticiperen op de snelheid van de huidige digitale productie/Industry 4.0-transformaties, volgens Ravi Shankar, globaal directeur productmarketing voor Simcenter, Siemens PLM Software, gevestigd in Plano, Texas. Simulatie is kritiek voor bedrijven die hun productontwikkelingsproces digitaliseren, omdat wanneer het ontwerp- en productieproces correct in de virtuele wereld wordt gesimuleerd, bedrijven hun ontwerpen sneller op de markt kunnen brengen.

Uitbreiding van simulatie-toegang is een belangrijk onderwerp, stemde Shankar toe. "Er is in recent jaren een significante voortgang geboekt", zei hij, "maar er is nog een stuk te gaan. We kunnen democratisering zien als zowel de mogelijkheid voor meer mensen binnen een organisatie om simulaties uit te voeren als voor meer mensen om simulaties te consumeren zonder simulatiespecialist te hoeven zijn."

Siemens is aan de voorhoede van deze transformatie, stelde Shankar, dankzij de kracht in het dienen van de behoeften van ontwerpers. "Enkele voorbeelden hiervan omvatten de integratie van simulatiechnologieën binnen de Siemens NX-omgeving [die CAD/CAM- en CAE-mogelijkheden omvat]; 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 simulateresultaten."

Cloudtoegang tot CAE-oplossingen heeft ook de noodzakelijke toegankelijkheid toegevoegd voor niet-expert simulatiegebruikers in de productie. "Historisch gezien zijn productiesoftware en CAE-simulatiesoftware losstaande niche-producten geweest die worden gebruikt door productie-ingenieurs en simulatiespecialisten, respectievelijk", merkte Subham Sett op, vicepresident, Simulia marketing en strategische initiatieven, bij Dassault Systèmes, gevestigd in Waltham, Mass. en Vélizy-Villacoublay, Frankrijk.

"Echter, met de huidige [eisen aan] first-time quality met verlaagde productiekosten, zoeken bedrijven de voordelen te benutten van het simuleren van productieprocessen voordat ze geïmplementeerd worden. Hiervoor is een geïntegreerde benadering nodig om de product-BOM [Bill of Materials] te koppelen aan het productieproces – inclusief realistische simulatie van beide."

De 3DExperience-simulatie-aanbiedingen van Dassault Systèmes in de cloud helpen simulatie zeker meer gedemocratiseerd te maken, merkte Sett op, omdat ze "alleen beperkte lokale hardware en IT-ondersteuning vereisen om toegang te krijgen tot grote hoeveelheden rekenkracht en simulatiemogelijkheden."

CNC Software's Mund voegde toe dat "simulatie gedemocratiseerd is tot het punt dat het een verwacht component is van elke CAD/CAM-software-aanbieding. Naarmate algemene simulatie meer wijdverspreid werd, werd het type en de diepte van simulatie ook dramatisch uitgebreid. Over de laatste twee decennia is de industrie gegaan van basale toolpath backplotting naar materiaalverwijdering-visualisatie naar complete simulatie van de werktuigmachine-omgeving." Gebruikersverwachtingen over wat als standaardcomponent van CAD/CAM beschikbaar moet zijn, zijn meegegaan, zei Mund.

"Hoewel uitzonderlijke stand-alone oplossingen blijven bestaan – en een vitale plek hebben in veel winkels – is simulatie zo ingroeid in de werkstroom van de winkel dat de meeste CAD/CAM-aanbieders het bijna zo belangrijk achten als de gereedschapsbeweging zelf", stelde hij.

Investeren in simulatie

De afgelopen jaren hebben de grootste spelers in simulatie – Autodesk, Dassault, Siemens, en nu Hexagon – substantiële investeringen gedaan in de simulatie-arena, met name in CAE-multiphysics-applicaties. Siemens gaf 4,5 miljard dollar uit om electronic design automation (EDA)-reus Mentor Graphics over te nemen in 2016, en kocht ook LMS International en CD-adapco om zijn simulatieportfolio op te bouwen. Recenter nam metrologie-reus Hexagon AB, Stockholm, Zweden, Spring Technologies over, ontwikkelaar van NCSIMUL toolpath-simulatie- en verificatie-software, in 2018.

"Siemens is erg actief geweest in het overnemen en integreren van oplossingen in de simulateruimte als onderdeel van een grotere focus op het leveren van een digitaal innovatieplatform", zei Siemens' Shankar. "Met Simcenter bieden we een van de breedste en diepste portfolios in de industrie voor simulatie en test. Dit omvat mogelijkheden van onze overnames van LMS en CD-adapco, die ons hielpen uit te breiden in gebieden zoals systeemsimulatie, geavanceerde 3D-simulatie, testen en vloeistofsimulatie, die we gecombineerd hebben met oplossingen voor ontwerpverkenning en simulatie-databeheer."

Met Mentor Graphics won Siemens geavanceerde mogelijkheden in de elektrische en elektronische ruimte, en versterkte ook zijn aanbiedingen voor de ontwerpingenieur, specifiek via CAD-geïntegreerde stroomsimulatie, voegde hij toe, met opmerking dat Mentor's hardware-testoplossingen ook een geweldige toevoeging aan het portfolio zijn. Ook, in januari bracht Siemens een volledige update van zijn Simcenter 3D-platform uit, met snellere modellering en nauwkeurigere simulaties.

"High-value klanttoepassingen in alle industrieën vereisen steeds meer simulatiemogelijkheden voor alle fysica, op alle schalen", merkte Dassault's Sett op. "Om onze bestaande kracht in structuren en multibody-simulatie aan te vullen, heeft Dassault Systèmes recent een sterke mogelijkheid voor vloeistof- en akoestische simulatie verworven via de overname van de PowerFlow, XFlow en Wave6 productlijnen. Daarnaast hebben we de CST Studio suite productlijn overgenomen, die een complementaire mogelijkheid biedt voor elektromagnetische simulatie."

Verbeterde nauwkeurigheid, gebruiksgemak

Met de verwachting om echte digitale tweelingen in productie-operaties te bereiken, leveren ontwikkelaars verhoogd realisme en nauwkeurigheid. "CAE-simulaties voor fabrikanten vandaag zijn extreem realistisch en nauwkeurig, tot het punt dat voorspelde productievervormingen kunnen worden gebruikt om een ontwerp negatief te compenseren, zodat het as-manufactured deel binnen de vereiste toleranties van het as-designed deel valt", zei Sett. "In gewone taal: we kunnen de vervorming van de deelsvorm door het productieproces anticiperen, dan rekening houden met die vervorming zodat het afgeronde deel overeenkomt met de gewenste geometrie.

"Simulatiegebruikers zoeken nauwkeurigheid, snelheid, gebruiksgemak en integratie met productiesoftware", voegde hij toe. "Daarnaast vereist de productieingenieur simulatietools die gemakkelijk en intuitief te gebruiken zijn, zonder een diepgaande simulatie-achtergrond." Additieve productie's gebruik van simulatie groeit ook snel, aangezien de mogelijkheid om ontwerpen te creëren die niet mogelijk zijn in traditionele productie leidt tot een grotere behoefte om ontwerpiteraties te simuleren. "Veel van de cutting-edge simulatie-werk in productie is gerelateerd aan additieve productie", zei Sett.

In de huidige verbonden, geavanceerde productie-installaties heeft simulatie veel potentieel om ontwerpen sneller op de markt te brengen, kosten te verlagen en productiefouten te minimaliseren of te elimineren. Simulatie kan leiden tot "veel verschillende kostenbesparingspotentiëlen, afhankelijk van de toepassing", merkte MSC Software's Schafstall op, "alsook snellere time-to-market, diepere inzichten, procesbegrip en interne kennisoverdracht." Andere voordelen omvatten additionele potentiële productievariaties, met een robuustere procesvenster waar meer ideeën bewijsbaar zijn, zei hij.

Simulatie biedt gebruikers veel meer gedetailleerde informatie voordat productie begint, voegde hij toe. "Een beter begrip van het productieproces en zijn problemen helpt [bij het creëren van] een meer produceerbaar, geoptimaliseerd ontwerp", stelde Schafstall. "Dit betekent ook dat de productiesimulatie steeds meer in de ontwerpfase zal verhuizen [in additieve productie]."

In februari bracht MSC Software zijn nieuwe CoSim-engine uit, ontwikkeld om een co-simulatie-interface te bieden voor de directe koppeling van verschillende solvers/disciplines binnen een multiphysics-framework. 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) applicaties, en dekt een breed scala aan industriële-schaal toepassingen. De CoSim-engine biedt verbeterde nauwkeurigheid, precisie en prestaties voor complexe multiphysics-toepassingen, volgens MSC.

Het hoge niveau van realistische nauwkeurigheid is nooit meer bereikbaar geweest dan met de huidige aanbiedingen, volgens Autodesk's Frank. "Met de beschikbare rekenkracht vandaag, kunnen we inzichten in het productieproces vastleggen als nooit zuvor, 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 NC-simulatie is voor de operatie van machines of proces-simulatie van iets zoals injectiegietprestaties of een additieve metaal 3D-print, gebruikers hebben de meeste inzicht in wat ze op de shopfloor kunnen verwachten", zei Frank.

Hij merkte op dat Autodesk zijn eigen productie- en testlabs onderhoudt, constant de software evaluërend op nauwkeurigheid en voorspelbaarheid.

NC-snijden simuleren

In NC-simulatie biedt het simuleren en verifiëren van snijgereedschapprocessen fabrikanten een helder beeld van toolpath-snijbeweging, inclusief alle andere bewegende elementen in de werktuigmachine behalve het echte snijgereedschap. Met de nieuwste simulatie- en verificatie-software van NCSIMUL Hexagon Production Software, Boston, krijgen gebruikers een volledig geautomatiseerd systeem dat veel van het werk doet, met nieuwe simulatie-automatiseringsfuncties die nu geïntegreerd worden in de Vero Software-lijn van CAD/CAM-software van de moedermaatschappij Hexagon Manufacturing Intelligence, waaronder EdgeCAM, WorkNC, AlphaCAM en andere Vero-merken, alsmede 15 derde-partij applicaties, waaronder Mastercam en Siemens NX CAM.

Een NCSIMUL 2020-update, die voor april gepland was, bevat veel betere integratie met CAM-systemen via zijn application programming interface (API), een bijgewerkte grafische gebruikersinterface, en volledige bill of materials over productie heen, inclusief meting en controle, zei NCSIMUL General Manager Silvère Proisy. Een auto-control-mogelijkheid helpt de verbinding met CNC-machines te verbeteren, voegde hij toe, met de mogelijkheid om alle parameters op de shopfloor te lezen. "We verbinden de programmeurs met de shopfloor", zei hij, "zodat ze hun computers niet hoeven te verlaten. Dit is nog kritischer met vijf-as machines die CAV (computer-aided verification) nodig hebben."

Het nieuwste NCSIMUL-systeem biedt realistischere simulaties, voegde hij toe. "We snijden volume naar volume; je kunt de schaalvormen zien, de echte snijde op het deel zien", zei Proisy. "Het is echt tot de realiteit, met heel fijn detail. We automatiseren het proces echt, met templates die je wijzigingen naar NCSIMUL sturen, wat de simulatie in een black box draait, en laat zien of je programma veilig is of niet. Wat nieuw is, is het detail over hoeveel automatisering we kunnen doen, en ook nieuwe optimalisatie voor niet alleen frezen, wat we vorig jaar toevoegden, 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 dan hun voorgangers", merkte Gene Granata op, Vericut-productmanager bij NC-simulatie/verificatie-ontwikkelaar CGTech, Irvine, Calif. "Vandaag de machines hebben meer bewegende delen, toegevoegde mogelijkheden, en veel nieuwe M- en G-codes die nodig zijn om dingen goed te laten werken. Zelfs een schijnbaar simpele actie als een 'gereedschapswissel' gebeurt op vreselijke snelle snelheden. Catastrofale fouten kunnen heel snel en onverwacht optreden wanneer snijgereedschappen en CNC-machines tot hun uiterste grenzen worden gedreven."

Het optimaliseren van NC-codes en de processen die ervoor gebruikt worden, is de focus voor de meeste NC-winkels, zei Granata. "Gedaalde winstmarges en toegenomen concurrentie zijn primaire redenen hiervoor; op welke manier je kunt optimaliseren en nauwkeurige kostenschatting zijn kritiek voor zakelijk overleven", voegde hij toe. "Het gebruik van software als Vericut met Force-optimalisatie zorgt ervoor dat alle NC-programma's snijden met optimale spanbelasting, dynamische snijkrachten binnen veilige grenzen houden, en nauwkeurigere bewerkingstijdvoorspellingen mogelijk maken."

Nauwkeurige simulatie is de sleutel tot productiviteit, zei Granata. "Het simuleren van NC-code op digitale tweeling CNC-machinemodellen houdt CNC-machines bezig met het maken van onderdelen in plaats van waardevolle machinestijd te verspillen op bewijzen. Het gebruik van simulatie 'virtueel' elimineert potentiële botsingen en bewerkingsfouten die ernstige problemen in de winkel kunnen veroorzaken, en daarmee kostbare downtime en planningvertragingen te vermijden.

"Simulatie kan een betere job doen wanneer meer nauwkeurige data toegankelijk is", vervolgde hij. "Bijvoorbeeld, nauwkeurige machinemodellen zijn wenselijk voor nauwkeurige detectie van potentiële machinebotsingen. Op dezelfde manier helpen gedetailleerde modellen van snijgereedschappen te verifiëren dat deelfeatures met vertrouwen bereikt kunnen worden tijdens bewerking en correct worden gebruikt [bijv. met veilige ramp-hoeken]. Wanneer snijgereedschappen vanuit de cloud worden gedownload met aanbevolen snijprestatieparameters, kunnen programmeurs ook verzekerd zijn dat ze geschikte voedingen en snelheden voor bewerking en optimalisatie gebruiken."

Volgens Granata wordt NC-niveau simulatie op een digitale tweeling CNC-machine gezien als de meest uitgebreide manier om te verifiëren dat NC-programma's goed zullen werken op de beoogde CNC-machine en het bewerkde deel zullen produceren zoals verwacht, zonder botsingen, het overschrijden van aslimieten, of ongelukken door onjuiste of ontbrekende NC-codes. "NC-niveau simulatie is ook de beste keuze voor NC-programma-optimalisatie, omdat optimale snijmethoden en de mogelijkheden/limieten van de machine gelijktijdig kunnen worden toegepast", merkte hij op.

De nieuwste Vericut versie 9 gebruikt geavanceerdere OpenGL-graphicsmogelijkheden om superieure grafische weergavekwaliteit en prestaties te bieden, volgens CGTech. De verbeterde graphics verbeteren functie en consistentie over weergaven, wat alle functies van de software voor het nemen van metingen, het toepassen van doorsneden, en het vergelijken van het theoretische ontwerpmodel versus gesimuleerd gesneden deel mogelijk maakt.

Enkele functies die voor Vericut-gebruikers komen, omvatten een nieuwe Restart-mogelijkheid, zei Granata. "Wanneer een fout in een NC-programma geïdentificeerd wordt, kunnen gebruikers correcties aanbrengen en de simulatie een blok of twee voor de fout herstarten, dan afspelen om te verifiëren of de wijziging is wat ze willen." Force-optimalisaties zullen beter geoptimaliseerde bewerking en verbeterde Force Chart-interacties bieden. Er zal ook een nieuwe Force Calibration-productaanbieding zijn voor winkels die hun eigen tool-to-stock snijvoorwaarden willen testen, en de verzamelde data gebruiken om Vericut's Force NC-programma-analyse en optimalisatie aan te sturen.