Освоение производственной эффективности с передовыми инструментами симуляции

Инструменты симуляции делают гораздо более легким для производителей оптимизацию своих процессов, визуализируя весь путь производства от симуляций NC металлорезания через 3D-дизайн и изображения цеха. С сегодняшними инструментами симуляции дизайнеры траекторий инструментов и инженеры производства могут легко увидеть точно, где траектории NC упрется в аварию и смогут исправить ситуации на лету, что ведет к огромному ускорению симуляции и верификации процесса металлорезания.

Некоторые из последних извращений в системах симуляции включают новые возможности, применяемые к бурно растущим аддитивным производственным процессам, которые строители принимают для быстрого прототипирования и аддитивного производства производственных компонентов. Новое ПО NC симуляции адаптируется для приспособления этих аддитивных процессов, делая гораздо более простым расчет и симуляцию времени, необходимого для построения деталей в аддитивных слой-за-слоем процессах как для прототипирования, так и для построения производственных металлических деталей.

В более традиционном субтрактивном механическом производстве производители также продолжают фокусироваться на текущем тренде распространения богатства с инструментами симуляции высшего уровня, с «демократизацией» и распространением использования симуляции, включая компьютерное инженеринг-анализ (CAE), обычно используемый преимущественно высококвалифицированными специалистами, через цепочку производственного дизайна/производства.

Симуляция для аддитивного и субтрактивного

Последние инструменты NC симуляции и верификации, включая Vericut от CGTech (Айрвин, Калифорния) и NCSimul от Spring Technologies (Бостон), добавляют аддитивные возможности для симуляции и верификации процессов примерно так же, как они делают для традиционной обработки.

«Аддитивное производство — последний тренд, с все большим количеством производителей, включающих этот метод в свой каталог возможностей», — сказал Джин Граната, менеджер по продукту Vericut в CGTech. «CGTech сейчас работает с технологическими партнерами, такими как GE, Dassault Aviation, Mazak, Университет Шеффилда и Connecticut Center for Advanced Technology [CCAT] для коллаборации и культивирования нашего AM модуля, запланированного к выпуску в Vericut 8.1, который выйдет позже в этом году».

Новый Vericut добавляет оптимизированные траектории инструментов, используя данные, скачанные из облака. «С нашим последним релизом Vericut 8.0.2 мы обновили наш модуль оптимизации траекторий Force «на основе физики», который теперь получает входные значения напрямую от облачных инструментов и получает выгоду от нескольких новых функций, упрощающих настройку оптимизации», — заметил Граната. «Микроанализируя условия резания, встречаемые NC-программой, Force гарантирует, что NC-программы имеют оптимальные скорости подачи и идеальные толщины стружки, не превышающие безопасные пределы силы или мощности. Это огромно улучшает продуктивность».

Технические улучшения в новом Vericut включают более 100 запросов пользователей в Vericut 8.0.2, упрощающих настройку и улучшающих пользовательский опыт, помогающих продлить срок службы инструментов и избегать дорогого повреждения шпинделей станков. «Некоторые конкретные улучшения включают обновления внутри модуля оптимизации Force, Tool Manager теперь импортирует больше доступных данных об использовании и производительности инструментов, и продукт симуляции сверления и крепежа [VDAF] Vericut получает выгоду от обновленного графического пользовательского интерфейса [GUI]», — добавил Граната. «Все эти улучшения разработаны, чтобы помочь нашим клиентам верифицировать и оптимизировать их NC-код максимально эффективно».

Пока симуляция для аддитивного относительно новая, она показывает большой потенциал для производственных клиентов, отметил Сильвер Произи, генеральный менеджер Spring Technologies, разработчика NCSimul Machine и связанных предложений симуляции. «Для аддитивного мы симулируем движение станков и рассчитываем время, необходимое для слоения металла», — сказал Произи.

Spring Technologies сконцентрировалась в основном на металлических аддитивных производственных процессах, заметил Произи, работая с поставщиками Tier 1 и Tier 2 в авиакосмической/оборонной отрасли, включая строителей двигателей и шасси, которые разрабатывают симуляции для использования возможностей в ПО NCSimul компании для этих аддитивных процессов.

Симуляция любого производственного процесса критична, и с ПО NCSimul 4CAM Spring, производственные операции получают большую гибкость на цехе, сказал Произи. Одно из преимуществ NCSimul — пользователи могут симулировать процесс резания или аддитивного производства в фактическом G-коде, сказал Произи, и если есть резы или движения, которые не должны быть сделаны, легко вернуться и перестроить процесс. «Вам не нужно перезапускать процесс, вы можете редактировать симуляцию «на лету» и это позволяет вам перестроить деталь», — сказал он.

Другие поставщики ПО симуляции, вступающие в аддитивную игру, включают программных тяжеловесов Dassault Systèmes (Париж) и Siemens PLM Software (Плэно, Техас).

Вход Dassault в арену AM включает Additive Manufacturing Engineer компании, доступный в облачных и on-premises версиях, который позволяет производителям готовить и валидировать AM процессы. ПО экономит время пользователей, позволяя архивировать лучшие практики для повторного использования, автоматически оптимизировать позиции деталей и разрабатывать разные стратегии для аддитивного процесса.

Релиз 3DExperience 2017x, как говорят, трансформирует дизайн, симуляцию и производство с гораздо более высоким уровнем интеграции. С новой ролью Function Generative Designer, дизайнеры предоставляют функциональную спецификацию (включая 3D-оболочку, сценарий нагрузки, материалы, цели снижения веса, желаемый производственный процесс), и нажатие кнопки запускает симуляцию и генерирует оптимизированную концептуальную форму. Это позволяет дизайнерам и инженерам использовать гибкость аддитивного производства по сравнению с более традиционными процессами, такими как фрезерование, литье и ковка. Две новые роли цифрового производства и производства для аддитивного производства определяют и оптимизируют настройку и процесс для порошкового плавления и промышленной 3D-печати, и программируют лазерный путь.

В январе 2017 года Siemens AG (Мюнхен) и аддитивный разработчик Materialise NV (Лёвен, Бельгия) анонсировали партнерство, по которому компании будут коллаборативно интегрировать NX ПО Siemens PLM с технологиями Materialise в секторе AM. Под соглашением компании интегрировали технологию Materialise в NX CAD/CAM/CAE ПО, позволяя ему точно проектировать CAD-модели для процессов порошкового плавления и материал-джеттинга 3D-печати. Получившееся ПО, как говорят, ускоряет процесс построения полностью 3D-напечатанных деталей на 30% или более, согласно компаниям.

Сделка представляет огромный шаг вперед в превращении аддитивного производства в мейнстрим производственную практику для клиентов, сказал Зви Фойер, старший вице-президент Manufacturing Engineering Software для Siemens PLM Software, в заявлении. «До сих пор аддитивный производственный процесс требовал от производителей работать с двумя отдельными системами — одной для дизайна продукта, и другой для подготовки этого дизайна для 3D-печати», — сказал Фойер. «Проблемы перевода данных и отсутствие ассоциативности между этими двумя системами создавали процесс, который был трудоемким и подверженным ошибкам. Устраняя эти проблемы, мы помогаем расширить принятие аддитивного производства как универсально принятого производственного инструмента».

NX теперь использует технологию из Materialise Magics 3D Print Suite, позволяя широко принятые AM процессы для производства конечных деталей, включая порошковое плавление, а также материал-джеттинг, которые обещают дальнейшее ускорение эволюции AM от прототипирования к полноценной производственной технологии. Решение бесшовно и ассоциативно связывает NX с технологией решетки Materialise, дизайном поддерживающих структур, 3D-гнездованием, подготовкой строительной подставки и фреймворком процессоров сборки для аддитивного производства. Это устраняет перевод данных, конвертации и гарантирует, что изменения в цифровых моделях дизайна продукта автоматически и ассоциативно отражаются в 3D-печатных заданиях. Результат — более высокая точность модели, более высокое качество и гораздо более быстрый процесс от дизайна к производству.

Распространение CAE среди масс

Среди последних трендов симуляции, более широкое принятие инструментов CAE — включая инструменты такие как вычислительная гидродинамика (CFD), конечный элементный анализ (FEA) и топологическая оптимизация — начало делать некоторые шаги в производственные операции, как больше инженеров за пределами CAE-специалистов используют силу этих технологий симуляции.

«Некоторые тренды, влияющие на производство в целом, также отражаются в ПО симуляции. Эти включают аддитивное производство и связанные техники симуляции, топологическую оптимизацию, и симуляцию композитов на стороне продукта», — отметил Рави Шанкар, директор глобального маркетинга продукта симуляции, Siemens PLM Software. «Аддитивное производство также имеет последствия для создания инструментальных приспособлений для различных традиционных производственных процессов. Кроме того, техники симуляции также применяются к производственному процессу, таким как симуляция сборки, робототехническая симуляция, симуляция потока материалов, и человеческая симуляция и эргономика».

Симуляция позволяет намного более раннее обнаружение потенциальных проблем и позволяет компаниям избегать таких проблем до их возникновения, заметил Шанкар. «Это напрямую влияет на продуктивность за счет сокращения производственных простоев, за счет обеспечения более быстрой обработки, за счет увеличения срока службы инструментов и использования, и за счет снижения затрат на материалы», — сказал он.

Процесс цифровизации необходим для создания хорошего аддитивно изготовленного продукта, добавил Шанкар. «У Siemens есть несколько инициатив для упрощения дизайна, симуляции и производства для аддитивных продуктов», — сказал он. «Эти включают недавние инновации для генеративного дизайна, которые позволяют дизайнерам, использующим NX, использовать техники топологической оптимизации для создания легких, органических форм, уточнить эти дизайны с помощью Convergent Modeling, и затем драйвить производственные процессы. Аналогично, для композитов Siemens предлагает решения для оптимизации композитных укладок, симуляции процесса драпировки и влияния на детали, симуляции отвердевания и эффектов пружинистости возврата, и т.д.»

Пока был прогресс в «демократизации» инструментов CAE, как описано исследователем CAD/CAM CIMdata Inc. (Анн-Арбор, Мичиган) несколько лет назад в их исследовании симуляции, есть еще довольно длинный путь для дальнейшего принятия таких симуляций, согласно Шанкару. «Мы определенно видим некоторые компании, ведущие путь в принятии технологий симуляции, но мы также видим большой потенциал для расширения использования и принесения ценности этих технологий к инженеру производства», — добавил Шанкар. «Технологии симуляции используются для структурного анализа, симуляции течения и охлаждения форм, производства композитов и других. В большинстве случаев это все еще выполняется посвященными специалистами по симуляции. Так что наше убеждение в том, что демократизация CAE, пока идет, еще не достигла своего полного потенциала».

Оптимизированное сверление

Механическая обработка дорогих коррозийно-стойких материалов крайне тяжела для сверл, и недавнее исследование исследователей Технического университета Дортмунда (Дортмунд, Германия) использовало инструменты течения жидкости и структурного анализа от Ansys Inc. (Питтсбург) для анализа распределения потока охлаждающей жидкости процесса и достижения более долгого срока службы инструмента.

В Институте технологии механической обработки (ISF) Технического университета Дортмунда, исследовательская группа под руководством профессора Дирка Бирмана проанализировала методы продления срока службы сверл для использования на суперсплаве Inconel 718. Низкая теплопроводность этого сплава означает, что большое количество тепла должно быть отведено от зоны сверления внешними методами, или инструмент может деформироваться. Это может привести к плохому качеству отверстия или поломке карбидного сверла. Относительно низкие скорости сверления под 50 м/мин используются для поддержания более низких температур в зоне резания, но жидкое охлаждение все равно требуется. Для направления охлаждающей жидкости туда, где она нужна, она накачивается через два крошечных канала внутри ленты, твердого спиралевидного узора сверла.

Чтобы понять сложное взаимодействие между структурой сверла, охлаждающей жидкостью и заготовкой Inconel, команда ISF использовала инструменты симуляции от Ansys для оптимизации процесса, выполняя анализ взаимодействия жидкость-структура (FSI). Процесс включал создание завершенных жидкостных сеток, затем инженеры использовали ПО Ansys CFX computational fluid dynamics (CFD) для моделирования распределения охлаждающей жидкости через жидкостной домен. Команда также использовала Ansys Mechanical с добавленным граничным условием сил охлаждающей жидкости, рассчитанных CFX, для завершения FSI анализа. Включая все разные CFD и Mechanical симуляции, ISF завершила свой вычислительный анализ за четыре недели. «Сверление в сплав Inconel тщательно управляется для предотвращения быстрого износа и повреждения станков», — заметил Бирман. «Команда модифицировала свой процесс охлаждения для улучшения срока службы инструмента примерно на 50%».

Валидация цифровой фабрики

Помимо аддитивных и CAE разработок, потребность производителей в быстром проектировании планировок цеха никогда не была больше. Новые инструменты симуляции цифрового производства, такие как FastSuite Edition 2 от Cenit North America (Обёрн Хиллс, Мичиган), помогают производителям проектировать планировки заводов и валидировать все производственные процессы заранее, ускоряя процесс и оптимизируя дизайны.

«IoT или Индустрия 4.0 представляет радикальные изменения, которые встряхивают самые основы производственного пола. ПО цифровой фабрики и 3D-инструменты движут это вперед», — отметил Ли Ван Эври, старший менеджер по счетам Cenit North America. «ПО цифровой фабрики помогает компаниям эффективно врываться в умное производство. В наше время ПО должно быть совместимо со всеми CAD-системами и работать с роботами и станками любого производителя. Это обязательное предварительное условие для клиентских отношений, которые становятся все более разнообразными с более сложными и требовательными системами».

Сегодняшнее 3D-базированное ПО симуляции позволяет визуализацию и валидацию процессов и производственных задач, отметил Ван Эври. «Производственные заводы редко создаются с нуля, но часто перепланируются, пока производство идет. Имея виртуальные заводы и модельные заводы как точное представление реальных производственных систем, не только геометрически и кинематически, но также в отношении логического поведения и управления производственными единицами, гарантирует гибкие, самоорганизующиеся производственные единицы», — сказал он.

«Цифровая фабрика позволяет внедрять новые производственные процессы, концепции заводов и технологии, которые были бы слишком дорогими или даже невозможными без решений на основе симуляции», — добавил он. «Чем больше роботизированных приложений используется — не только для простых задач манипулирования, но и для сложных производственных шагов — тем больше преимущество использования инструментов программирования и симуляции. Программные решения ведут путь к этим сложным приложениям, давая оператору необходимое программирование и среду симуляции для создания приложений, которые ранее представлялись через ручное обучение или не показывали необходимого качества процесса».

Вместо построения быстрой планировки с 3D CAD компонентами из каталога, и затем программирования скриптов и макросов для симуляции потока материалов и поведения ячейки, FastSuite Edition 2 использует мехатронные компоненты и ресурсы для определения планировки и одновременно определяет схемную логику для производственного острова, согласно Ван Эври. «Таким образом, обеспечивается соответствие симулируемого и реального поведения — потому что симуляция основана на той же логике, используемой во время ПЛК программирования и поэтому соответствует реальному поведению системы позже».

Новое ПО FastSuite Cenit предоставляет удобные для пользователя функции для интеграции новых, проектно-специфичных компонентов в планировку, сказал Ван Эври. «Этот процесс должен быть быстрым и легким для пользователей без знаний программирования для завершения».

Инфраструктура ПО основана на открытых стандартах, добавил он, с последовательным использованием AML (Automation Markup Language) как описательного языка для системных моделей, например, что, сказал Ван Эври, позволяет значительно более простое взаимодействие с инженеринговыми партнерами через стандартизированный, системно-нейтральный обмен полными системными данными или данными оборудования, включая кинематические и логические определения. Кроме того, PLC Open гарантирует, что системная логика на основе первых концепций симуляции также может быть использована для более позднего ПЛК программирования. ПО использует общую память, в которой контроллеры записывают данные симуляции и из которой 3D-визуализация затем читает данные симуляции.

«Производственные процессы вроде рулонного подворачивания, герметизации, склеивания или покраски требуют виртуальную среду программирования и симуляции, чтобы они также могли эффективно работать, когда приходят малые партии или инженерные изменения происходят, требующие обновления новых офлайн-программ для робототехнических ячеек», — заявил Ван Эври. «Тогда есть еще один аспект, показывающий преимущество современной цифровой фабрики: Это гораздо более эффективно переиспользовать не только CAD-данные, но и метаданные, предоставляемые инженерингом [например, для крепежей], вместо переопределения их в производстве каждый раз».

На производственной стороне, Line Designer — передовое приложение для проектирования и визуализации планировок производственных линий в ПО NX, сказал Шанкар из Siemens. «Интегрированная платформа Siemens PLM Software позволяет инженерам легко ассоциировать спроектированную планировку с производственным планированием. Так что планировка, спроектированная с Line Designer, может быть использована для валидации производственного процесса с помощью ПО Tecnomatix для цифрового производства. Используя приложение Process Simulate, вы можете валидировать широкий спектр роботизированных приложений, позволяя симулировать полные производственные системы, включая валидацию ячейки и оптимизацию размещения роботов. Симулируя производственные процессы, вы можете определить оптимальный производственный процесс».